jeepy's gps ססובמ יטובור פי'ג טווינ םילושכמ ינשייחו...

:הנושא

Jeepy's

מצפן וחיישני מכשולים, GPSיפ רובוטי מבוסס 'ניווט ג

:הנושא

Jeepy's

GPSיפ רובוטי מבוסס 'ניווט ג

מצפן וחיישני מכשולים

:מגישים

:מנחה

כוחייקובי

סמסטר אביב2011

נבון נעם אלדד יחיה021764212 039428941

2 רשימת איורים|

דף תודות

:להודות לאנשים יקרים שעזרו לנו כל אחד בדרכו להצלחת הפרויקטברצוננו

ההנחיה והעזרה כשנזקקנו לה, על היד החופשית, מנחה הפרויקט – יכוחי קובי.

ועל אספקה שוטפת של סוללות , על הסבלנות והעזרה בכל בעיה –ויגדרסון אורלי

.ורכיבים שנשרפו

נציג –ערן קסטיאלNI , והחומרה ( ואחד נוסף לאחר תאונה מצערת)על תרומת הבקר

.הדרושה

עירית קנטור NI– על התמיכה בזמן ההסתגלות לסביבה החדשה.

על העזרה בצילום הסרט –צורי וערבה עיני רוני.

, לכולכם מגיעה תודה רבה

. אלדד יחיה ונעם נבון


תוכן העניינים

5 .......................................................................................................... איורים רשימת .1

6 .................................................................................................................... תקציר .2

8 ...................................................................................................................... מבוא .3

9 .......................................................................................................... החומרה תאור .4

9 ........................................................................................................... הרובוט 4.1

11 ............................................................................................................ הבקר 4.2

4.3 GPS ............................................................................................................ 14

16 ................................................................................ אולטרסונים קירבה חיישני 4.4

18 ................................................................................... גלגלים זווית ומד המצפן 4.5

21 ............................................................................................ ומנועים דריברים 4.6

23 ......................................................................................................... התוכנה תאור .5

Labview.................................................................................... 25 סביבת תאור 5.1

FPGA ............................................................................................ 26 ה סקירת 5.2

5.2.1 VI – System Integrator .................................................................. 26

5.3 Top VI ....................................................................................................... 29

5.3.1 Angle Calc VI ................................................................................ 34

5.3.2 Fix Bearing VI ............................................................................... 35

5.3.3 Wheel control loop PID VI ............................................................ 35

5.3.4 GPS Acquire VI ............................................................................. 36

37 ................................................................................................................. תוצאות .6

41 ....................................................................................................... ומסקנות סיכום .7

42 ................................................................................................................. נספחים .8

42 ....................................................................................................... המצפן של נתונים דף –' א נספח

NI sbRio 9642 Quick Reference ............................................................................... 42 –' ב נספח

42 ................................................................................................... קירבה חיישני נתונים דף –' ג נספח


GPS :Garmin 16x – LVS ............................................................................ 42 נתונים דף –' ד נספח

PID ......................................................................................... 42 לכיול ניקולס זיגלר שיטת –' ה נספח

43 ................................................................................................................. מקורות .9


רשימת איורים .1

9 ................................................................................................. הרובוט של בלוקים סכמת - 1 איור

9 ............................................................................................................................. הרובוט - 2 איור

11 .................................................................................................... הבקר NI sbRio 9642 - 3 איור

12 ........................................................................................................ דיגיטליים ממשקים - 4 איור

C-series module Interface ............................................................................................ 13- 5 איור

RS232 ............................................................................................................... 13 ממשק - 6 איור

14 .......................................................................................................... אנלוגיים ממשקים - 7 איור

GPS .............................................................................................................................. 14 – 8 איור

WAAS .......................................................................................................................... 15 - 9 איור

NMEA sentence ......................................................................................................... 16 - 10 איור

16 ......................................................................................... סונים האולטרא הקרבה חישני -11 איור

17 ................................................................................................................. קירבה חיישן - 12 איור

17 ............................................................................. קירבה חיישן עם התקשרות פרוטוקול - 13 איור

18 ................................................................................................................ החיישן מפתח - 14 איור

18 .......................................................................................................................... המצפן - 15 איור

19 ................................................................................................................ המצפן כרטיס - 17 איור

CMPS03 ........................................................................................................... 19 המצפן - 16 איור

20 .......................................................................................................... גלגלים זוויות מד - 18 איור

20 ........................................................................................ הגלגלים מנועי של הדרייברים - 19 איור

21 ............................................................................................... המעודכן Hbrige ה מעגל - 20 איור

22 ................................................................................................... ההגה מנוע של דרייבר - 21 איור

23 ....................................................................................................... הבקרה חוגי סכימת - 22 איור

24 ................................................................................................................ זרימה תרשים - 23 איור

31 ................................................................................................ במנועים שליטה פרמידת - 24 איור

33 ............................................................................................................... היגוי פרמידת - 25 איור

37 ......................................................................................................................... 1 ניסוי - 26 איור

38 .......................................................................................................................... 2 ניסוי - 27 איור

39 ......................................................................................................................... 3 ניסוי - 28 איור

6 תקציר|

תקציר .2

. בטכניון פרויקט זה בוצע במסגרת לימודי תואר ראשון בהנדסת חשמל במעבדה לבקרה ורובוטיקה

לבצע הסבה של - מטרתנו .חיישני סונאר ועוד, מצפן, GPSהפרויקט עוסק בניווט רכב אוטונומי בעזרת

מעקב אחר מסלול תנועה שהוזן -רכב חסר יכולות לרובוט המסוגל לנווט בשטח ולבצע את המשימה

.מראש תוך עקיבה טובה של הנקודות והתחמקות ממכשולים בזמן אמת

שמהווה , National Instrumentsשל חברת Rio Single Board 9642הרובוט משתמש בבקר מסדרת

סביבת העבודה של . בצעת את כל החישובים והפעולות הנדרשות לשם ביצוע המטלהמערכת משובצת המ

י שימוש בסכמות בלוקים "בה הקוד נכתב בצורה גרפית ע תכנותסביבה – Labviewבקר זה היא

. Javaאו , Cשמתורגמות לקוד

ב קריאת כלומר של, Sense – Think – Actאלגוריתם הפעולה של הרובוט מתבסס על שלושה שלבים

באופן כללי . י המנועים"שלב החישוב וקבלת החלטות ולבסוף שלב הביצוע ע, הנתונים מכלל החיישנים

מבצע את החישה והביצוע ואילו המעבד עצמו מוקדש רק FPGAניתן להגיד שהודות למבנה המערכת ה

.לצורך קבלת ההחלטות ומימוש האלגוריתם

תוצאות . לנו רבות בהתמודדות עם בעיות יומיומיות בהנדסההפרויקט היווה אתגר הנדסי אמיתי ותרם

הרובוט מסוגל להשלים את המסלול . הפרויקט טובות אך עדיין יש מקום לעבודה נוספת ושיפור הביצועים

מהירות ועמידות בתנאים , תגובתיות טובה יותר –למשל , בדיוק טוב אבל ישנן תופעות שיש מקום לשפרם

...(.'מכשולים גבוהה וכוצפיפות , רעידות) קשים

7 תקציר|

Abstract

This project was carried out as part of Bachelor's of Science degree in Electrical Engineering

in the Control and Robotics Laboratory, at the Technion. The project focuses on autonomous

vehicle navigation using GPS, compass, sonar sensors, and more ... Our goal is to make the

adaptation of a simple vehicle to an outdoor robot that can navigate and perform the

following task - tracking the trajectory of pre-entered GPS points and avoiding obstacles in

real time.

The robot controller is the Rio series - Single Board 9642 by National Instrument, which is an

embedded system that performs all calculations and actions required to perform the task. The

controller's working environment is Labview - a graphical environment in which code is

written in graphic form using block diagram is translated into C or Java code.

The algorithm for operation of the robot is based on three stages: Sense - Think - Act,

meaning reading of data from all sensors, calculation and decision-making and finally

execution stage by the controller. Generally speaking, thanks to the structure of the controller,

the FPGA performs the sensing and execution while the processor itself is dedicated to

decision-making and implementing the algorithm.

The project was a real engineering challenge and made us cope with everyday problems in

engineering. Project results are good but still there is room for further work and improve

performance. The robot can complete the course in a satisfying manner, but there is still room

for improvement, for example - better reactivity, speed and durability in harsh conditions

(vibration, high density obstacles etc'...).

8 מבוא|

מבוא .3

ומצפן GPSבעזרת , שעסק בניווט רכב אוטונומי TIRESפרויקט זה הוא פרויקט המשך לפרויקט

הפלטפורמה שקיבלנו בתור נקודת התחלה מיצתה את יכולותיה ולא ניתן היה . במסלול קבוע מראש

יבה חזקה יותר ובעלת ולכן הפרויקט התרכז בבניית פלטפורמה חדשה בסב, להרחיב ולהוסיף יכולות

יכולות טובות יותר כדי לתת בסיס טוב להמשך וכן להציג ביצועים טובים יותר מאלו שהושגו בעזרת

.החומרה הישנה

הבעיה איתה התמודדנו היא כיצד ניתן להפוך מרכב פשוט לרובוט אוטונומי המסוגל לבצע את המשימה

מעקב אחר מסלול תנועה שהוזן מראש תוך עקיבה טובה של הנקודות והתחמקות ממכשולים –שהוגדרה

פעילויות דומות . ומטרה משנית היא יצירת פלטפורמה נוחה לעבודה מול הרובוט בהמשך, בזמן אמת

שהיווה השראה לפרויקט Darpa Grand Challenge שבוצעו בעולם כוללים בראשם את תחרות ה

.המקורי

החל מעזרה לעיוורים בתור , המסוגל לנווט באופן עצמאי יכול להשתלב בתחומים רבים בחיינו רובוט

וישומים , ישומים צבאיים כמו כלי מודיעין ולחימה לא מאויישים, אמין ומדויק לכלב נחייה, תחליף זול

או אפילו ( ...'עיר וכו, פארק שעשועים)פרטיים כמו מערכת הנחייה המסייעת להתמצאות בשטח לא מוכר

.בתור מערכת המחליפה את הנהג ברכב

כך שבסוף , בספר זה ננסה להעביר לקורא את עיקרי הידע אותו רכשנו במהלך העבודה על הפרויקט

הספר מתחיל בסקירת החומרה השונה המורכבת על . הקריאה יוכל להתקדם מהנקודה בה אנו עצרנו

תיות שהתמודדנו איתן ולאפשר לקורא להכניס הרובוט תוך התייחסות לנקודות כשל ונקודות בעיי

המצפן , GPSהפרק על החומרה סוקר גם את הטכנולוגיות שבשימוש כמו ה. רעיונות חדשים לבעיות אלו

ים את יכולות הבקר שנבחר לצורך פרויקט זה ומדגימים את יכולתו סוקר בנוסף אנו. וחיישני הקירבה

.של הרובוט( חיבורים)ה של המבנה הפיזי ואת הממשקים שלו ובכך מאפשרים לקורא הבנ

. ומציג את חוגי הבקרה הקיימים, פרק התוכנה פותח בסקירה כללית של אלגוריתם הניווט שבחרנו לממש

בנוסף קיים פירוט מלא . את יתרונותיה וחסרונותיה Labviewבהמשך סוקר את סביבת העבודה הגרפית

,I2C)ו המשמשים לתקשורת מול כלל רכיבי החומרה של המודלים אותם פיתחנו ואת הממשקים שכתבנ

NMEA183 הקורא יכול להתייחס לרוב המודלים כאל קופסא שחורה המממשת פונקציה כלשהי ...(. 'וכו

.לצרכיו או לצלול לתוך המימוש הפנימי שלה לבחירתו

ותיעדנו והצגנו כאן כ ביצענו מספר רב של ניסויים "סה. לבסוף אנו מציגים את התוצאות אליהם אנו הגענו

.דוגמאות המראות את השיפורים שהצלחנו להכניס לבקר תוך כדי העבודה 3

מידע זה נאסף ממקומות שונים ובחרנו לרכז , בפרק הנספחים ריכזנו מידע רב שצברנו במהלך העבודה

ריכוזו י"חיפוש מידע הוא פעולה שצורכת זמן רב וע. אותו כאן כדי להקל על הבאים אחרינו לגשת אליו

.אנו מקווים לקצר את הזמן עבורםבתוך ספר זה

.קריאה מהנה

http://webee.technion.ac.il/control/info/Projects/Students/2009/David%20Dovrat%20and%20Leeor%20Peled/WWW/TIRES.html

9 תאור החומרה|

תאור החומרה .4

להלן סכמת בלוקים עקרונית המציגה את כלל החומרה בה השתמשנו

סכמת בלוקים של הרובוט - 1איור

הרובוט 4.1

הרובוט - 2איור

יפ צעצוע לנהיגה של 'המשמש כג Peg Perego - Gaucho Grandeהבסיס לרובוט הוא רכב קנוי מסוג

.פ המקורי אינו מצויד באמצעי בקרהי'הג. ג"ק 20ילדים כאשר הם יושבים בתוכו ומסוגל לסחוב עד


וולט 12 שלאחוריים םהמוזנים משני מצברי, בהספק גבוה Brushed DCמנועי 2 -הרכב מצויד ב -הנעה

(12Ah )כל מנוע מקבל הזנה משתי הסוללות במקביל וזאת כדי לספק את דרישת הזרם של המנועים כך ש

הזנה לשני המנועים מונעת השפעה ה. במיוחדבעיקר בזמן התחלת הנסיעה המאופיינת בצריכת זרם גבוהה

יפ הוא 'הג. אחד ביחס לשני מנוע של אי סימטריה בין שתי הסוללות שיכולות לגרום לסטייה בביצועים של

י "ע משלו כך הוא מסופק גלגלי שיניים ותמסורתמכיל מנוע , כל גלגל הוא עצמאיבעל הנעה אחורית כאשר

יפ המקורי יש הגה 'בג –היגוי .מפסיק לעבוד רק גלגל אחד יסתובב לכן למעשה אם מנוע אחד, היצרן

ההגה יש מנוע נוסף ותמסורת על ציר . דמייםהק המחובר לגלגל שיניים שמניע מסרק המחובר לגלגלים

מערכת זו בעלת חופש רב בחיבורים בין גלגלי השיניים ובצירי ,וספו על מנת לאפשר שליטה בהיגוינש

המוזן גם Brushed DC ששולט בהיגוי הוא המנוע. הגלגלים מה שמהווה אתגר ברמת הבקרה על הכיוון

למעשה החלק היחידי שהיה מורכב כבר תודות לפרויקט קודם זהו .וולט 12האחוריים ממצברי ההנעה כן

.שבוצע על רובוט זה

בקרה 4.2

לקחים ומסקנות מהכשלים בתחילת הפרויקט סקרנו פרויקט קודם שבוצע באותו התחום וניסינו להפיק

זיכרון של עם , 40Mhz -העובד בPIC 18F4431 בפרויקט הקודם בוצע שימוש בבקר חלש מאוד . שהיו בו

16Kb .אחת המסקנות הייתה שיש לבחור בקר חזק יותר עם זיכרון רחב יותר שיוכל לאכסן את הקוד ,

.והמצפן GPSעל נתוני ה Fixed-pointולבצע חישובי , נתוני המסלול

וכניסות יציאות, (Debugתכנות ו) ממשק נוח, (י סוללות"יכולת הפעלה ע) ניידות -דרישות הבקר

עמידות בתנאי , זמן אמתיכולת תקשורת ב, (RS232)כניסה טורית , אנלוגית כניסה, PWM, דיגיטליות

Outdoor.

Singleבקר רב עוצמה מדגם National Instrumentsהבקר שבו השתמשנו בפרויקט זה הוא מתוצרת

Board Rio 9642. למעשה בקר זה . ומוסיף יכולות רבות( ממשקים)אשר עונה על כל הדרישות המחייבות

עבר למה שביצענו במסגרת הפרויקט ולכן יפ מ'על הדרישות וניתן להרחיב איתו את היכולות של הג עולה

יתרון נוסף בבחירה זו היא . ללא צורך בשדרוג החומרה, מהווה נקודת התחלה טובה לכל פרויקט המשך

בפרק חיב עליה נר Labview Robotics 2009בסביבת התנסינו ספציפית אנו . Labview –סביבת העבודה

מאפשרת הגירה קלה ביותר לחומרה חדשה ללא צורך בשינוי הקוד Labview-סביבת ה. העוסק בתוכנה

.כפי שהתנסינו בפרויקט


הבקר NI sbRio 9642 - 3איור

:מאפייני הבקר

Real-Time controller

מערכתEmbedded 400מעבד עםMhz שלFreescale.

256MB internal – non volatile memory

128Mb DRAM memory

Configurable FPGA with 2M gates – XILINX Spartan 3

:ממשקים

Serial port: RS232

Ethernet: 10/100Base-TX

C series expansion slots

110 Digital I/O port (configurable) – TTL 3.3V

32 Analog input– range 10.4V

4 Analog output


:ממשקים דיגיטלים

מספרי הפורטים . וכניסה Portי מספר "בכרטיס אשר ממופים ע Digital I/O Ports 110כאמור ישנם

0-ממוספרות מ ,והיא דו כיוונית DIOנקראת /כל כניסה) יציאות/כניסות 10ולכל פורט יש 9-ל 0נעים בין

.שלא בשימוש בפרויקט זה 24v -כניסות דיגיטליות הפועלות ב 10בנוסף יש עוד פורט של . (9עד

.לקחנו את ההזנה מהבקר H-Bridgeוולט לצורך הפעלת הלוגיקה של ה 3.3קקנו למתח מכיוון שנז*

ממשקים דיגיטליים - 4איור

C series moduleממשקי

וזאת לצורך הרחבת היכולות של , אל הבקר NIמודולים יעודיים של חברת לחיבור ממשק זה משמש

הרחבת הכניסות והיציאות , GPS ,Wifi, יש אפשרות לחבר מודולים של תקשורת סלולרית ,למשל. הבקר

NIמתוצרת H-Bridgeשהוא NI9505השתמשנו במודול יפ 'לצורך הפעלת ההיגוי של ה .הדיגיטליות ועוד

וריים לא מספיק הדרייברים שפותחו עבור הנעת הגלגלים האח .בעל ביצועים גבוהים ועמידות גבוהה

VGAי כבל "החיבור בין הבקר למודול הוא ע. זו בגלל הצורך במיתוג מהיר והספק גבוה עמידים למשימה

.MOD 1,2,3סטנדרטי ומתחבר לאחת משלושת כניסות ההרחבה המסומנות

PORT

0

CMPS03

Compass

DIO 0 - SDA

DIO 1 - SCL

PORT

2

H-Bridge

Rear

wheels

DIO 2 - PWM

DIO 3 – 3.3V supply*

H-Bridge

Rear

wheels

DIO 1 – Direction

PORT

1

DIO 0 - Trigger

DIO 1 - Echo SRF05

Ultrasonic

sensors

Left

R

ight

DIO 2 - Trigger

DIO 3 - Echo


C-series module Interface- 5איור

RS-232ממשק

המאפשר תקשורת עם התקנים סיריאלים בקצבים RS232תקן , לבקר שלנו יש ממשק סיריאלי סטנדרטי

אינו סטנדרטי GPSשל ה PINOUTיש לשים לב כי ה .עובד בתקן זה שתמשנוהשבו GPSה. נמוכים

.והאספקות DATAולכן השתמשנו בקופסת פריסה כדי לחווט את קווי ה , ובנוסף דורש אספקת מתח

RS232ממשק - 6איור

API (Applicationשפה זו היא למעשה . לתקשורת טורית VISAמספקת ממשק בשפת Labviewסביבת

Programming Interface )המאפשר גישה קלה לממשקים שונים כמו סיריאל וGPIB י פקודות "ע

י שליחה "מתבצעת ע GPSהתקשורת מול ה . פשוטות מבלי להכיר את המימוש הפנימי של כל ממשק

עוד על כך בפרק העוסק ) פשוטים ASCIIשפת תקשורת מבוססת על משפטי , NMEAוקבלה של משפטי

או לכתוב משפטים לשידור וכך , מאפשר לקרוא את המשפטים המשודרים VISAממשק ה. (GPSב

של המשפטים המתקבלים על מנת Parsingכמובן שלא די בכך ויש צורך לבצע .למעשה נוצרת התקשורת

.להפיק מהם את הנתונים הרלוונטים

Mod

1

(J6)

NI9505

H-bridge

Standart VGA

RS-232

Interface

Non-Crossed

RS232


:ממשקים אנלוגיים

בממשק אנלוגי אחד כדי למדוד את המתח הנופל על נגד משתנה המייצג את זווית הגלגלים השתמשנו אנו

.AI 0-31כניסות 32ויש לו MOD Aהממשק האנלוגי נקרא . הקדמיים

ממשקים אנלוגיים - 7איור

.אינן בשימוש בפרויקט זההן אך , יציאות אנלוגיות 4יש לציין כי לבקר יש גם

4.3 GPS

GPS – 8איור

:סקירה כללית

. השעה וחישוב ההשהיה של הגעת הסיגנל ,קובע את מיקומו לפי ידיעת מיקום הלוויינים GPSמקלט ה

אי דיוקים בשעון הלוויין , שגיאה במיקום הלוויין: בהתאם לכך הסיבות לאי דיוקים בקביעת המיקום הן

. ואי ודאות בהשהיית האות הנובעת ממעבר האות באטמוספרה שתנאיה משתנים

לשימוש מטר 100ואפשר דיוק של עד (SA – Selective Availability )היה בעבר מקודד GPSסיגנל ה

וכך היונוספרהאשר מתחשב במעבר הסיגנל בשכבת הוסר הקידוד ונוסף אלגוריתם 2000בשנת . אזרחי

.רדיוסב מטרים 5-6 כדיוק של התאפשר

ת הכולל אנטנות קרקעיות ולווינים נוספים שמשדרים או DGPS ך דיוקים גבוהים יותר הוקם מערך לצור

WAAS = Wide Area Augmentation System מערך שיפור דיוק זה נקרא . נוסף הנותן תיקון למיקום

MOD

A

מד זוויות

גלגלים

AI 8 - Angle

05 ור החומרהתא|

אות תיקון .באירופה EGNOS = European Geostationary Navigation Overlay Serviceו ב"בארה

אות זה זמין , בלבד WAASשהיה בידנו תומך ב GPSלצערנו ה (. קוטר)מטרים 3 קטן מזה מאפשר דיוק

.ב"רק בארה

WAAS - 9איור

:המקלט שלנו

מחובר GPSה. יפ'נורש מפרויקט קודם ומותקן על אנטנה בקדמת הג16x LVS- Garmin מסוג GPS-ה

והוא צורך זרם 6Vעד 3.3Vניתן לספק לו מתחים בתחום .מיוצב 5Vל 12Vלמייצב המתח שממיר

עם אות 5mקטנה מ, 15mקטנה מ GPSלפי דפי היצרן שגיאת המיקום של ה . 90mAממוצע של

RTCM 3וקטנה מm עם אותWASS.

NMEA 0183- National Marine Electronics: שני פרוטוקולי תקשורת סריאליתתומך ב GPSה

Association ASCII interface specification או בפרוטוקול בינארי ייחודיי של חברתGarmin .

-שני תווים , בתחילת ההודעה$ י "מאופיין ע NMEAמשפט ב . NMEAאנחנו השתמשנו בפרוטוקול

כן לאחר מכאן תו, מגדירים את סוג ההודעה -שלושת התווים לאחר מכאן , ראשונים מגדירים את השולח

כל (. בבסיס הקס דצימלי)ואחריה שתי סיביות זוגיות * ולבסוף , שדות מופרדים בפסיקים –ההודעה

.CR><LF> carriage return , line feed>הודעה נגמרת בתווים

ממשק זה גם , GPSנרצה לקבל מה NMEAניתן להגדיר איזה משפטי GPS (SNSRXCFG)בממשק ה

כגון GPSישנם משפטים רבים אותם ניתן לקבל מה .NMEA באמצעות משפטי GPSמתקשר עם ה

המשפט העיקרי בו אנו השתמשנו . שגיאת המיקום המוערכת ועוד, הלווינים, משפטים אודות גיל האלמנך

:הוא מהצורה הבאה

http://www.nmea.org/

http://www.nmea.org/


NMEA sentence - 11איור

.התוכנהבפרק אופן קריאת הנתונים מפורט בהרחבה

ספרות 4נותן את נתוני המיקום בקואורדינאטות בצורה של מעלות ודקות עם דיוק של GPS -ה: הערה

אנו השתמשנו בהמרה )לכן יש לבצע המרת קואורדינאטות בהתאם למפה . עשרוניות לאחר הנקודה

(.google mapsנקודות עשרוניות שמתאימות למפות של 8לקואורדינאטות של מעלות עם

חיישני קירבה אולטרסונים 4.4

חישני הקרבה האולטרא סונים -11איור

SRF04 - Ultra-Sonicחיישנים אולטרא סונים מסוג יפ 'כדי לבצע חמיקה ממכשולים התקנו בקדמת הג

Ranger .5שנים מחוברים למתח אספקה של יהחיV וצריכת ( מנועהמכסה שנמצא תחת )מתח המייצב מ

ההתקן 10usפולס באורך triggerכאשר מספקים לכניסת ה. 4mAא יהזרם המקסימאלית שלהם ה

ברגע שהחיישן .echoקו ה ובמקביל מעלה את 40KHzמחזורים של תשדורת אולטרא סונית ב 8משדר


בצורה זאת ניתן להמיר את אורך הפולס לסנטימטרים . קולט החזר הוא מוריד את הקו חזרה לאדמה

.30msירד לאחר echoקו ה ,שן לא מקבל שום החזריבמידה והחי. (58us/cmיחס המרה של )

חיישן קירבה - 12איור

פרוטוקול התקשרות עם חיישן קירבה - 13איור

י "ולכן ע 55°והם בעלי עקום קרינה קונוסי עם מפתח של 3-400cmהחיישנים מסוגלים למדוד טווח של

יפ ניתן לכסות את כל האזורים 'יפ בזוויות קבועות ביחס לקדמת הג'מיקום של שני חיישנים בחזית הג

י ניסוי שכן הדבר תלוי ברדיוס הסיבוב של "זוויות החיישנים קבענו עאת . שמהם יכולים להגיע מכשולים

.ובמהירות הסיבוב( במידה והמכשול מלפנים)ברוחב המכשול האפשרי ,יפ'הג


מפתח החיישן - 14איור

המצפן ומד זווית גלגלים 4.5

המצפן - 15איור

המסוגל לחוש את השדה Philips KMZ51מבוסס על חיישן מגנטי רגיש CMPS03 Devantechמצפן

המצפן מוציא . 15mAוצורך זרם ממוצע של 5Vהמצפן מחובר למתח מיוצב של . המגנטי של כדור הארץ

מפרויקט בשונה. I2Cובעזרת פרוטוקול PWM (Pulse Width Modulation)את הכיוון בשתי דרכים

יותר והיה ידידותי יותר מדויקאנחנו בחרנו להתממשק עם המצפן בעזרת פרוטוקול זה כיוון שהוא ,קודם

.Labview לתכנות ה


ן את כלאחר מ, התחלהיש תחילה לשלוח ביט I2Cלצורך קבלת נתונים מהמצפן באמצעות פרוטוקול

,בנמוך ולבסוף את מספר הרגיסטר אותו רוצים לקרוא read/writeעם סיבית ה ( 0XC0)כתובת המודל

מכילים את 2,3רגיסטרים : רגיסטרים של בייט 16המצפן מכיל מערך של . 2,3שלנו רגיסטרים הבמקר

.°0-359.9שמייצגים 0-3599בטווח של bit unsigned integer 16כיוון המצפן בייצוג של

מייצב . נורית חיווי וכפתור כיול, נפרד הכולל מייצב מתח PCBיפ על כרטיס 'המצפן ממוקם בחזית הג

בניגוד למצברי )המזינים את האלקטרוניקה העדינה 12V מחובר למצברי L7805CVהמתח מסוג

ולכן קצב ההבהוב ועוצמת ms 66-102אשר רוחבו בין PWMמחוברת לאות ה חיווי הנורית (. ההנעה

. יפ ביחס לצפון המגנטי'ההארה מייצג את כיוון הג

כרטיס המצפן - 17איור

:כיול המצפן

, כאשר המצפן פונה לכיוונים צפון( לאדמה 6המחבר את פין )לצורך כיול המצפן יש ללחוץ על הלחצן

אין צורך לכייל את . על המצפן להיות מקביל לקרקע. לחיצה לכל כיוון ,דרום ומערב לפי הסדר, מזרח

.המצפן בכל פעם שמדליקים אותו

CMPS03המצפן - 16איור


:מד זוויות גלגלים

מד זוויות גלגלים - 18איור

לינארי לצורך כך חובר פוטנציומטר . בכדי לבקר את זוויות הגלגלים יש צורך במדידת כיוונם ביחס למרכב

י תזוזת ציר הגלגלים "כך שהגוף של הנגד חובר למרכב והסליידר לציר הגלגלים כך שהערך שלו נקבע ע

מכיוון שהיא נותנת ( Backlash)בחירת מיקום זה היא טובה מבחינת מזעור החופש . ביחס למרכב

בין גלגל השיניים מכיוון שיש חופש נותן וזאת אינדיקציה טובה לתזוזת הגלגלים בעוד שחיבור לציר לא

י כניסה אנלוגית בבקר אנו מודדים את המתח "וע, וולט 12על הנגד נופל מתח קבוע של . למסרק ההגה

היינו צריכים , (וולט 10)יש לציין שבשל מגבלת מתח של הכניסות האנלוגיות בבקר .בנקודה המשתנה

.זק לבקרלהוסיף נגד טורי לנגד המשתנה כדי להוריד במעט את המתח ולמנוע נ

ברים ומנועיםידרי 4.6 :הדרייברים של מנועי הגלגלים

הדרייברים של מנועי הגלגלים - 19איור


כל . מערכת הדרייברים של הגלגלים מותקנת תחת המושבים וכוללת שני כרטיסונים ומערכת פיזור הספק

מנועים הם צרכנים גדולים אשר צורכים זרמים ה. ומעגל להפרדת אדמות H-bridgeכרטיסון כולל מעגל

הפרדת . זרמים אלה מסוכנים לשאר האלקטרוניקה העדינה של הבקר ושאר החומרה.10Aשל עד

12Vהמעגל מקבל מתח אספקה של . pull upונגד (אופטוקפלר)מצמד אופטי האדמות מתבצעת בעזרת

מעבר לאספקות (. סוללות)מתח זה יחסי לאדמת הבקר . מהבקר 3.3Vואדמה מהמצברים הגדולים וכן

PWMאשר שולטת על המהירות בעזרת אות speedכניסת הכניסה הראשונה היא: כניסות 2אלה למעגל

. 5KHzלאחר מספר ניסויים גילינו שהשליטה הטובה ביותר על המהירות היא בתדר .(פעיל בנמוך)

המחובר , בצורה זו במנוע. יוליך Hיסה זו קובעת איזה ענף ב כנdirection הכניסה השנייה היא כניסת

.זורם כל פעם זרם בכיוון הפוך וכך ניתן לשלוט על כיוון המנועים, במרכז

שינוי ערך . םיי הצוות של הפרויקט הקודם ונדרשנו לבצע עליהם מספר שינוי"תוכננו ע H-bridgeמעגלי ה

עקב שריפת חוזרת . לפני כן 5Vבמקום 3.3Vעל מנת להתאים את הכרטיס למתחי הבקר pull upנגד ה

ביצענו . המתרחשת בגלל שהחיבור של הטרנזיסטורים לאדמה עובר דרך אדמת שער זה Notשל שערי

. חיתוך של המגע על הכרטיס וחיברנו את אדמת טרנזיסטור כך שלא תעבור דרך השער

המעודכן Hbrigeמעגל ה - 21איור

270

270


:הדרייבר של מנוע ההגה

דרייבר של מנוע ההגה - 21איור

NI 9505 Full H-Bridge Brushedמסוג National Instrumentמנוע ההגה מחובר לדרייבר יעודי של

DC Servo Drive Module אשר מחובר ישירות לבקר בכבלVGA גם . וכן למצברי הגלגלים ולמנוע

ובנוסף יש חיבור מקבל מתח ישירות מהבקרמצד אחד הדרייבר :בדרייבר זה קיימת הפרדת אדמות

ישנה אופציה . ויש לו מד זרם פנימי 7.3Aהמודול מאפשר העברת זרמים של עד . לאספקות לטובת המנוע

אנו לא . ובאמצעות כך לסגור חוג בקרה למדידת מהירות ומיקום encoderלמודול אות של להכניס

. השתמשנו באופציה זאת וסגרנו חוג על מנוע ההגה באמצעות מד זווית הגלגלים

23 תאור התוכנה|

תאור התוכנה .5

סביבת עבודה גרפית במקרים מסוימים .של הבקר וסביבת העבודה הגרפית" קוד"פרק זה מתואר הב

בלוקים מחליפים את -בצורה קלה יותר להבנהלפני המשתמש נוחה יותר מכיוון שהתכנות פרוס

אך לעיתים קשה יותר לתכנת בסביבה זו כאשר יש להמיר משפט קוד . הפונקציות וקווים את המשתנים

כסכימת בלוקים צירפנו למרות שהקוד בנוי. יסההמעבר לסביבה גרפית דורש שינוי תפ. בבלוקים רבים

. סכימה פשטנית יותר של חוגי הבקרה ותרשים זרימה עקרוני של הקוד

:חוגי הבקרה אותם נדרשנו לממש

ובמקביל מסוגל להריץ קוד ,JAVAו , Cמסוגל לעבוד עם מספר שפות תכנות כגון השתמשנוהבקר בו

VHDL על גבי ה FPGA . הייחוד במערכת שמציעהNI היא שבעזרת סביבת העבודהLabview ניתן

י "למשל ע. והתוכנה מתרגמת אותו לשפה הרלוונטית( סכימת בלוקים)לכתוב את הקוד בצורה גרפית

ותתרגם את VHDLסים לכתוב התוכנה תבין שאנו מנ FPGAמיקום בלוקים מסויימים תחת העץ של ה

.שנוצר ניתן לעטוף בבלוק נוסף וכך להשתמש בו גם בסביבת העבודה של המעבד את הקוד .הבלוקים לקוד

2 -מתחלק ל VIכל , VI (Virtual Instrument)שנקראות " קופסאות"היא בעזרת Labviewהכתיבה ב

בהמשך .GUIשמציגה את המימוש של אותו Block Diagramוהשני הוא GUI -הראשון הוא ה. חלונות

.שמימשנו בפרויקט VIנעבור על ה

סכימת חוגי הבקרה - 22איור

Steering

Motor

Bearing loop error

Bearing angle Jeep

position

Position Target waypoint Target Bearing

Angle sensor

GPS and compass

PID


:תרשים זרימה עקרוני של התוכנה

.במקבילבפועל חלק מהענפים רצים .תרשימי זרימה אלה הם עקרוניים בלבד*

מנגנון . כאשר אחד הסונרים מזהה מכשול קרובמופעל ה Interruptמעל לתרשים זרימה זה ישנו מנגנון **

זהה את הכיוון הקרוב יותר ,האט את המהירות: זה הוא בעדיפות עליונה והוא עובד לפי האלגוריתם הבא

ישני המכשולים יפסיקו לזהות ימנגנון זה ימשיך לפעול עד שח. למכשול ופנה בכל הכוח לכיוון ההפוך

.למעלה יחזור לפעולברגע זה תרשים הזרימה ומכשול קרוב

תרשים זרימה - 23איור

קבל נתוני

מיקום וכיוון

חשב מרחק

וכיוון ליעד

סע המהירות

60%)גבוהה

(מהמקסימום

סע במהירות

מהירות )נמוכה

(יחסית למרחק

קרוב

ליעד

?

הגעת לא

ליעד

?

לא

סוף כן

מסלול

?

התחלה

כן

החלף

waypoint

כן

לא


Labviewתאור סביבת 5.1

להלן סכימה מופשטת המציגה את חוגי

הבקרה אותם מימשנו

Local

Remote

.שמתחת לעץ זה רץ לוקלית על המחשב השולחני VIה

נתונים כרייתמופיע כאן היא לצורך TOPהסיבה שה

.אך ניתן להגר אותו לכרטיס ללא שינוי, מהחיישנים

Target - כל התקשורת , כלומר הבקר עליו אנו עובדים

.במהירות גבוהה ETHERNETמתבצעת על גבי

FPGA Target – קוד שעובר עיבוד לVHDL ורץ על גבי

. בבקר FPGAרכיב ה

System Integrator – מכיוון שיש מגבלה שרקVI אחד

Systemה , בכל רגע נתון FPGA יכול לרוץ על ה

integrator עוטף בתוכו את כל הפונקציות הממומשות

.FPGAעל ה

בשפות תכנות Mainשקול ל, VI – TOPה

.מכיל את המימוש של התנהגות הרובוט. קונבנציונליות

Sub VI – שקול לפונקציות בשפות תכנות

ש איזו פונקציה שניתן מכזה ממ VIכל . קונבנציונליות

(.TOPלמשל ב )אחר VI ב" קופסא"להשתמש בה כ


FPGAסקירת ה 5.2

:מכיל מספר מרכיבים FPGAהעץ שמתאר את ה

Mod 1 – C – Series Module , זה הממשק שמתחבר לרכיב ה

NI9505 – H-Bridge , ניתן לראות . שמחובר למנוע ההיגוי

אנו . ם על גבי הכרטיסוןמתחתיו מספר ממשקים שנמצאי

ממשק ה בו, PWMהמקבל Motorבעיקר בממשק ה השתמשנו

Drive Direction שקובע את כיוון הזרם במנוע.

I2C – מימוש בקרI2C על גביFPGA , מודול זה נלקח מתוך

. ועבר הסבה להתאים לצרכינו NIאחת הדוגמאות של

Shared Busהוא פרוטוקול תקשורת שעובד על I2Cפרוטוקול

המצפן מתקשר עם הבקר על גבי (. Data, Clock)קווים 2בעל

Measure –( VI)פרוטוקול זה ולמעשה כאן מימשנו פונקציה

bearing ,כך למעשה . יו מצביע המצפןשמחזירה את הכיוון אל

אנו יוצרים רמת הפשטה נוחה למשתמש שלא צריך להכיר את

כדי לקבל את הערך .I2Cהמימוש הפנימי של הפרוטוקול

מתוך " Bearing (degree)"המשתמש צריך לקרוא את השדה

.FPGAממשק ה

Sonar – ממשקPWM שמתקשר עם החיישנים

ומספק , את המימושמסתיר VI גם כאן ה. האולטרסוניים

המשתמש צריך לקרוא .למשתמש בו את התוצאה בצורה נוחה

.כדי לקבל קריאת מרחק מכל אחד מהסונארים, Rאו " L Sonar Distance (cm)"את השדה

5.2.1 VI – System Integrator

לטובת פרויקט . שרצים במקביל FPGA ה ממשקיהוא למעשה איחוד של כל System Integratorה

.המשך נתעד בפרק זה את הלולאות ואת עקרון פעולתן

NI9505

I2C

Ultra-sonic Ranger


Bearing:

קוראת " I2C Read"המבנה החיצוני הוא לולאה שרצה באופן קבוע ובעזרת בלוק -מדידת כיוון המצפן

.במעלותומתקבלת תוצאה ( Data sheetעל פי ה )ערך זה עובר המרה . ערך מהרגיסטר של המצפן

:הערכים שיש להגדיר הם

I2C IO Node – קווי ה-DATA (Default: Port 0, DIO 0) וה- CLOCK (Default: Port 0, DIO 1) ,

I2C Configuration – הגדרת ערכי הClock High/Low Time (Default: 10 uS.)

Better Resolution – בוליאני ערך, של המצפן להעלות את רזולוציית המדידה אפשרות.

PWM generator:

Serialשבפנים הוא למעשה" סרט"וה, הלולאה החיצונית רצה באופן קבוע - PWMמייצר אות

Sequence . השלב הראשון מוצא המערכת הואTrue (כלומר גבוה), שלב שני המתנה שלPulse Width ,

.(תדר) החיצוני קובע את רוחב הפולס הכולל Waitה(. כלומר נמוך) Falseהמוצא לשלב שלישי הורדת

.H-bridge –שמזין את הלוגיקה של ה on 3.3 ו, קובע את כיוון הנסיעה – Directionבנוסף יש כניסת

nalog PoolingA:


הכניסות 2קריאה של ביצענובלולאה זו . LabViewמאוד ב עם הרכיבים החיצוניים קלהממשק כאמור

מכיוון שהכניסה האנלוגיות היא בתחום – מופחת)וכוח הסוללה , זווית הגלגלים –האנלוגיות של המערכת

.A2D)נדרשנו להקטין את הכניסה ל , וולט± 10

onar PoolingS:

יש לציין כי קיימת קופסא זהה גם .בתמונה שלמעלה ניתן לראות את הקופסה עבור החישן השמאלי

מתייחס למצבי SRF04 .Modeשל ה Echo -וה Trigger -ההן הכניסות למערכת זו .לחיישן הימני

ערכי . 1החיישנים שלנו תומכים רק במוד -( dual wire – mode 1, single wire – mode 2)הפעלה

עבור הימני . Trigger – Port 1 DIO 0 ,Echo – Port 1 DIO 1ברירת המחדל עבור הסונאר השמאלי הם

- Trigger – Port 1 DIO 2 ,Echo – Port 1 DIO 3.

אם נבחר להשתמש בחיישנים אחרים נוכל להחליף רק את . ניתן לראות כי יש פה הסתרה של המימוש

ת במקרה שלנו המימוש של הקופסה הפנימית מבצע א. הקופסא הפנימית שתתמוך בחישנים החדשים

לאחר מכן מתבצעת ההמרה בין רוחב . ומודד אותו Echoממתין לקבל את אות ה , trigger נדנוד קו ה

.מ"הפולס למרחק והתוצאה הסופית מתקבלת בס

.של החיישנים Timingבלולאה החיצונית היא לשמור על תנאי ה Waitמטרת ה


5.3 Top VI

אחראי על קבלת ההחלטות וחוגי , FPGAהוא זה שמפעיל את ה , הבקר על בפועלשרץ VIהוא ה Top -ה

אלמנט חשוב שנכנס לכל .מכיוון שכל הפעולות מתבצעות במקביל כל תהליך כזה מוכנס ללולאה. הבקרה

לולאה שנוצרת הוא אלמנט ההשהייה והוא זה שקובע כל כמה זמן מתבצעת הלולאה בפועל על גבי

בהנחה שהחישובים , ל שניה אחת הלולאה תתבצע אחת לשניהלמשל אם נוסיף המתנה ש, המעבד

זמני של לולאות ופסיקות בזמן -כך בקלות ניתן לבצע תכנות בו. המתבצעים בתוכה לוקחים פחות מזמן זה

. אמת

.TOPכעת נסקור את הלולאות המרכזיות המתפקדות ב

:וכריית נתונים GPSלולאת

וניתנת פקודת , GPS שמאפשר תקשורת טורית עם ה VISAמשאב מתבצע פתיחת לפני תחילת העבודה

בתוך הלולאה אנו מבצעים . משפטי מיקום NMEAמשדר בפרוטוקול GPSמרגע זה ה. GPS איתחול ל

המציין תחילת GPRMC$על ידינו ומחפש את המרקר שנכתב Sub-VIזה , "GPS READ"קריאה

והנתונים הרלוונטיים מוכנסים למבנה NMEA -של משפט ה Parsingלאחר מכן מתבצע . תשדורת מיקום

מתוך מבנה הנתונים אנו משדרים את קוו האורך והרוחב בעזרת משתנים גלובליים. נתונים אחד

Lat_mean, Long_mean ערכים אלו נקלטים בלולאות אחרות ולפיהם מתקבלות ההחלטות. בהתאמה.

יחד עם , השומר חותמת זמן CSVהיוצרת קובץ " Data Mining"החלק השני בלולאה זו הוא קופסת ה

.יפ מנסה להגיע מתוך בנק המטרות'המספר הסידורי של המטרה אליה הגונתוני מיקום

החלטה זו נובעת מכך שקצב עדכון , מילישניות בין ביצוע לביצוע 900בנוסף ניתן לראות כי יש המתנה של

.הוא פעם בשניה GPS ה


:לולאת הסונר

בעת הצורך ולקבל את הפיקוד על המנוע (sonar Interrupt)יצר את הפסיקה יתפקיד לולאת הסונר הוא ל

במידה ומתקבל חיווי באחד החיישנים על . שמאל וימין, ראשית נקראים הערכים משני החיישנים. וההיגוי

מתקבלת , (Proximity alertי המשתנה "ניתן לקביעה ע -מ "ס 150)מכשול שנמצא קרוב מהסף הנקבע

בשלב זה מתקבלת ההחלטה מאיזה כיוון . ת לידי הסונרוהשליטה בהיגוי ובמנועים עובר, Sonarפסיקת

. ההיגוי תמיד יפנה לכיוון בו המכשול רחוק יותר כאשר ,מגיע המכשול ולאן יש לפנות כדי להתחמק ממנו

כדי לאפשר התחמקות עדינה ( OBS Approach speedי "ניתן לקבוע ע - 40%)עוצמת המנוע מופחתת

.יותר

FPGA Read

control


User Override

Sonar Interrupt

Distance

:לולאת בקרת מנועים

Duty)כאשר רוחב הפולס , PWMהשליטה במהירות המנועים מתבצעת בעזרת סיגנל , כפי שהזכרנו קודם

cycle )לא ניתן לסגור כך ש, במערכת שלנו אין מדידה של המהירות. קובע את העוצמה בה המנועים נעים

י ה "נוצר באופן אוטומטי ע PWM מכיוון שסיגנל ה. חוג בקרה על המהירות ולכן השליטה היא בחוג פתוח

FPGA System integrator) )אנו נדרשים רק להעביר את רוחב הפולס הכולל ואת הזמן שהוא בערך גבוה.

pulseלכן ערך ( 5Khzתדר של )נוח לעבודה 200uSecלאחר מספר ניסיונות קיבלנו שזמן מחזור של

period אך ניתן לשנותו ב 200הואGUI שקובע את ה 1-זה נכפל בפקטור קטן מערך . לפי הצורךDuty

cycle ומייצר אתPulse Width שהוא הזמן שבו הפולס בגבוה.

על פי פרמידת השליטה בפקטור העוצמה מורכבת משלוש דרגות

:הקדימויות

בתחתית הפירמידה המהירות נקבעת על סמך המרחק מהיעד

מעל דרגה זו אנו מתייחסים לקריאה (. GPSמחושב בעזרת )

י "במידה ומתקיימת פסיקת סונר המהירות נקבעת ע .מהסונר

ומעליהם הדרגה הגבוה OBS Approach Speed (40% )קבוע

השונים ולקבוע בעצמו את עוצמת לבצע עקיפה של המנגנונים GUI ביותר מאפשר למשתמש בעזרת ה

.('דשא וכו, עלייה, שימושי כאשר הסוללות נחלשות או בתנועה בשטח בעייתי)ההנעה

פרמידת שליטה במנועים - 24איור


:לולאת ההיגוי

בשל מורכבותה נסקור . לולאה זו היא למעשה המימוש של אלגוריתם התנועה של הרובוט שהצגנו קודם

-Senseהתנועה מתבצעת לפי מודל . רתים את האלגוריתםאת המרכיבים העיקריים ובעיקר כיצד הם מש

Think-Act כפי שהTutorial שלLabview מתבצעת קריאה מה ראשית .ממליץ לעבודFPGA של זווית

ומיקום המטרה מתוך בנק GPSמיקום הרובוט על פי המעבד קורא את ובמקביל וזווית המרכב הגלגלים

ולאחר מכן מיצוע ± 180לתחום של (סימון אדום)Fix Bearing י "זווית המרכב עוברת נירמול ע. המטרות

בעקבות . זאת על מנת להתגבר על הקפיצות של המצפן בעת נסיעה על שטח לא חלק ,מדידות 3על פני

ו +180מדידות יתקבלו הערכים 3בתוך בומכיוון שיתכן מצב ש, 180המיצוע נדרש טיפול מיוחד לזווית

, זווית למטרה: (כחול) לאחר מכן מתבצעים החישובים. שזה כמובן לא נכון± 60 והמיצוע יהיה -180

(. ירוק - bearing loop error)וכך מחושבת שגיאת הכיוון מרחק למטרה


User Override

Sonar Interrupt

Go Straight (Dubug)

Bearing lock

GPS Target

היא למעשה 360כשברור ששגיאה של -360ל + 360השגיאה היא ביחידות של מעלות ונעה בתחום שבין

כך שתמיד נבחר את הדרך הקצרה (אדום) בזווית השגיאה ולכן יש צורך בטיפול –מעלות 0וכמו -360כמו

לאחר חישוב השגיאה . 0180בסוף התהליך השגיאה שתתקבל תמיד תהיה קטנה מ . ביותר למטרה

ערך זה נגזר מתוך המתח הנופל על הנגד וזווית – (כחול) עוברת המרה ממעלות למתחשגיאה ה ,למטרה

גדולה מזווית ההיגוי המקסימלית הערך להיות מכיוון שהשגיאה יכולה. ההיגוי המקסימלית האפשרית

התנהגות המערכת .בדומה ללולאת המנועים (ירוק) לבסוף יש היררכיה של שליטה על ההיגוי. נקטם

:מצייתת לפרמידת הקדימויות הבאה

זה מהלך .GPSי ה "בתחתית הפרמידה הכיוון נקבע ע

האופציה של . ניווט רגיל בו הרובוט נע לעבר המטרה שלו

Bearing Lock משמשת בעיקר לצורך הדגמה וגורמת

עליה ולשמור מתיובוט להתכוון על זווית כיוון מסולר

בעיקר לצרכי Go Straight. תוך התחמקות ממכשולים

Debug – בדרכו מכשול יש אם אלא ישר יסעהרובוט י

.אותו לעקוף וינסה

Sonar Interrupt נמצא בעדיפות עליונה על כל הדרגות שמתחתיו ויש לו את החשיבות הגבוהה ביותר

שמאפשר ניהוג ידני של User Overrideהיחיד שנמצא מעליו הוא .באשר להחלטות שבשליטת הבקר

. המשתמש

. נרחיב בהמשךעליו PIDה בקרהחוליה האחרונה בשרשרת היא החוליה של

פרמידת היגוי - 25איור


:בנק המטרות

בזמן עליה waypoint החיווי את מקדם יעודי מונה, לולאה פשוטה זו מזינה את המערכת בנקודות היעד

הקידום מתבצע כאשר המרחק לנקודה . מקדמת את המערכת לנקודה הבאה ובכך count upשל סיגנל ה

Skipור ה כפת(. מטרים 3 -בניסויי שטח הגענו עד ל, מטר ברירת מחדל 6) Distance toleranceקטן מ

waypoint מאפשר דילוג לנקודה הבאה.

5.3.1 Angle Calc VI

VI מרחק זה מומר לאחר מכאן למטרים, י שורש סכום הריבועים"זה מחשב את המרחק מהמטרה ע .

-90, מזרח 90, צפון 0 :שושנת הרוחות כךאנו פרסנו את . בנוסף כאן מתבצע החישוב של הזווית ליעד

ארבעת משולשי ההחלטה שניתן לראות בקוד מבצעים את ההתאמה בין פונקציית ה . דרום± 180, מערב

atan לצורת הפריסה שבחרנו.


5.3.2 Fix Bearing VI

המעבר הוא לשם .-180 -180לזוויות אותם אנו הגדרנו 360 – 0בלוק קצר למעבר בין הזוויות של המצפן

.נוחות בלבד

5.3.3 Wheel control loop PID VI

הוא רכיב מוכן שקיים בתכנת ה PIDבקר ה . של לולאת הבקרה של ההגה PIDבלוק זה מכיל את בקר ה

LABVIEW .כיול פרמטרי הPID שיטה אמפירית בה מכניסים –( הנספח )בוצעו בשיטת זיגלר ניקולס

פרמטרי באמצעותו זמן המחזור מחשבים את . ומודדים את זמן המחזור את המערכת במכוון לרזוננס

.הבקר

ואת זווית ההגה ( ביחידות של מתח)בלוק זה מקבל בכניסה את זווית היעד בה עליו לכוון את ההגה

Dutyומוציא אות בעזרתם הוא מחשב את שגיאת החוג( ביחידות של מתח)הנוכחית ממד זווית הגלגלים

Cycle. כיוון לדרייבר ההגהוהוא קובע את ה זה יכול להיות חיובי או שלילי ערך.

מעבר לאמור אנו מבצעים מרכוז של הזווית הנמדדת סביב אפס כיוון שמד זווית הגלגלים מוציא אות

.במתחים חיוביים בלבד


5.3.4 GPS Acquire VI

VI זה קורא ממשק הVISA את המשפטים שמשדר הGPS ומבצעParsing לאחר מכן הנתונים . שלהם

י הקופסה "מתבצע עParsing ביצוע ה. מועברים למבנה נתונים הכולל את כל השדות הרלוונטיים

GRMGPS המוצגת כאן.

היווה נקודת התחלה טובה להבנת ובכל זאת ,אבל לא התאים לצרכינו NIמודול זה נלקח מדוגמא של

לנתונים ( NMEA 0183כמו בפרוטוקול ) ASCIIכלומר המרה של מחרוזת טקסט – Parsingמנגנון ה

ויכולים Fixed pointבפורמט של Latitudeאנו מקבלים את כך למשל .הרלוונטיםולטיפוסים שונים ה

שמבצעת את ה )יש לשים לב גם לתנאי הכניסה לקופסה הפנימית . להכניס אותו לאלמנטים חישוביים

Parsing) , חיפוש אחר הtoken – GPRMC וזאת מכיוון שבשפתNMEA יש מספר רב של משפטים .

.GPSהוא זה שמכיל את נתוני ה GPRMCמשפט

37 תוצאות|

תתוצאו .6

ועוד ניסויים קצרים מרובים , ניסויים מלאים 3ביצענו כ "בסה. ניסויי השטח שבוצעו מוצגיםבפרק זה

.והנעה, התחמקות ממכשולים, פונקציות מסויימות כמו היגויפעולות של לבחינת

ניסויי השטח התבצעו בטיילת ראסל ברי כאשר הנקודות פרוסות לאורכה מהכניסה הדרומית של פישבך

י מיקומו בכל אחת מהנקודות ורישום "ע GPSהנקודות נדגמו בעזרת ה. וחזרה, ועד לסניף גרג שבטאוב

וכן ...( עץ, עמוד תאורה, מכסה ביוב)נבחרו נקודות שניתן לזהות בעין הניסוי לצורך .הקואורדינאטות

.נקודות בעלות קושי מסויים למשל מכשול

פתוח והטיילת הייתה עמוסה באנשים ביום הבוצע הניסוי: Setup - 1 המתועד הראשון ניסויהאות תוצ

.על מנת להתגבר על חלק מהבעיות שהתגלו, יים לקודשינו רהוכנסו מספ בעקבותיוו

1ניסוי - 26איור

38 תוצאות|

:הבעיות שנצפו

ניתן לראות תנודתיות רבה על המסלול של הרובוט במיוחד באזורים בהם הנסיעה -המצפן .1

, שיש בזמן התנועהתקלות אלו נזקפו לחובת המצפן שרגיש לתנודות . מהירה או קופצנית במיוחד

הפתרון . כך שלמעשה הרובוט חושב שהוא מתקדם בכיוון לא נכון, וגורם לעיוות של המדידה

מדידות עוקבות כך שהתוספת 3המיצוע מתבצע על , י הוספת מיצוע על המצפן"לבעיה זו הוא ע

.ובתמורה המדידה פחות רועשת( 100מילישניות במקום 300-כ)בהשהייה היא לא משמעותית

לכן היה צורך לכוון , מכיוון שהרובוט נמוך הסונאר מזהה את הרצפה כמכשול –מיקום הסונאר .2

לשם כך כוונו , נקודה נוספת היא זיהוי של מכשולים המגיעים מהצד. את החיישנים גבוה יותר

.החיישנים בסטייה קטנה מכיוון ההתקדמות

כלומר , ספר מכשולים במקביללרובוט אין יכולת להתחמק ממ –התחמקות ממספר מכשולים .3

פתרון לבעיה זו אינו . ראינו מצב בו תוך התחמקות ממכשול אחד הרובוט נתקע במכשול אחר

, אפשרי תחת החומרה הנוכחית מכיוון שהמהירות של הרובוט והתגובות שלו לא מספיק חדות

.הרובוט לא מסוגל להאט במהירות עקב משקלו וגודלו

היה צורך לבצע כוונון של הפרמטרים מכיוון שבמקור הבקר כוייל באופן סטטי – PIDכיול בקר .4

.במצב זה החיכוך ביניהם לבין הקרקע גדול מאשר בזמן תנועה .כלומר הגלגלים לא בתנועה

:להלן תוצאותיו, ביצענו ניסוי שטח נוסף, ל"לאחר שיפור הנקודות הנ

2י ניסו - 27איור

39 תוצאות|

כיוון ההתקדמות הוא ברוב הזמן התנועה חלקה יותר ופחות תנודתית ו ,ניתן לראות שיפור בתוצאות

הנקודה מוקמה קרוב מדי לדשא ובגלל , Eנתקלנו בבעיה בתכנון המסלול בנקודה . לכיוון הנקודה הבאה

הרובוט לא הגיע לקצה הטיילת לפני שהחל את ( מטרים 3-6)הדיוק שאנו מאפשרים בדגימת הנקודה

ביצענו תיקון (. נסיעה על דשא דורשת כוח גדול יותר)נתקע על הדשא ולכן הסיבוב לעבר הנקודה הבאה

ניתן לראות את ההבדל בתוצאות . מטרים 3-מותרת לשל הנקודה והורדנו באופן זמני את השגיאה ה

.של התוצאות הוידיאווכן בסרט , הבאות

יש לציין כי כדי לבצע את . אות שהתקבלו בניסוי השטח השלישיבסופו של דבר היינו מרוצים מהתוצ

רץ על המחשב ולא על החומרה בשל מגבלות ( המעבד)הקוד של הבקר ,בעזרת המחשבכריית הנתונים

(.remote)או על הבקר עצמו לוקלית רץעם זאת אין כל הבדל בתגובה של הרובוט אם הקוד , טכניות

3ניסוי - 28איור

41 סיכום ומסקנות|

סיכום ומסקנות .7

ולאחר מכן נדון במספר .נחלק את המסקנות שלנו לשלושת המרכיבים העיקריים אותם זיהינו בפרויקט

.רעיונות שהיו לנו להמשך העבודה על הפרויקט

:הרובוט

. אדם ולא רובוט יעודי לנסיעה אוטונומית-המרכב שימש כרכב צעצוע בו נוהג בן. נתייחס כאן למרכב עצמו

למשל סגירת חוג מהירות לא בוצע מכיוון שתכולה זו הייתה לוקחת עוד , בעיות רבות צצו כתוצאה מכך

ה פשוט יכול להקל על יתכן ותוספת של מד תאוצ –זמן רב כי אין הכנה נוחה למיקום של חיישני מהירות

בנוסף אחת הבעיות הקשות נבעה מההיגוי של (. רעיון לחלק מפרויקט המשך)סגירת חוג בקרה זה

אבל בין תנועת המנוע למדידת הפוטנציומטר יש החוג בקרה על ההגה נסגר דרך פוטנציומטר, הרובוט

עם זמני מיתוג חזק שמסוגל H-Bridgeשהקשה מאוד על ייצוב החוג בנוסף נדרש , (backlash)חופש רב

זק שבעזרתו ניתן להתגבר על הוא כלי ח NI9505 ,סיפקו לנו את הפתרון לבעיה זו NIלמזלנו , קצרים

.הבעיה

מכיוון שהמנועים האחוריים דורשים הספק רב בייחוד בזמן , בפני עצמה תהנעת הרובוט היא גם בעייתי

עד אשר הגענו לפתרון שהגן על רכיבים רבים קיפחו את חייהם , (in-rush current)תחילת התנועה

בזמן Step-up\downהוספת , 4.6 כפי שתואר בפרק PCBתיקון ה : הפתרון כלל מספר מהלכים. הרכיבים

הוספת מערכת קירור , PWMשמונע שינויים חדים של ה Rate limiterי "בוצע ע –ע כניסת מדרגה למנו

.לאחר תיקונים אלו לא נצפו עוד בעיות בתחום זה, מסיבית על הדריברים

:והבקר סביבת העבודה

הממשקים שלה מול החומרה , לעבודה ברובוטיקה היא סביבה מעולה Labviewסביבת העבודה של

וניתן לעקוב אחרי הביצוע , גבוהות Debugיכולות ה . מול חומרה חיצונית קל ויעיל וגם הממשק, נוחים

.של הקוד ולזהות בעיות בזמן אמת

NI. יכולותיה ומגבלותיה, השקענו מספר שבועות בלמידה של הסביבה Labviewבתחילת העבודה על

ניתן להגיע , לדעתנו. מספקים מדריכים בסיסיים לתחילת העבודה אשר נותנים נקודת פתיחה טובה

אך קיים קושי להתרגל לתכנות מקבילי ותכנות בעזרת , ליכולות מרשימות תוך זמן לימוד קצר יחסית

לאחר שעברנו את המשוכה הזאת , JAVA ו Cכמו " רגילות"בלוקים ששונה מאוד מתכנות בשפות

. מורכבים שעבדו היטב VIצלחנו ליצור ה

ולא ניתן להרחיב אותן בלי , אחת המסקנות שהיו בפרויקט הקודם היא שהבקר הקודם מיצה את יכולותיו

מקום רב כעת החומרה שנבחרה לפרויקט עומדת יפה במשימות שהוגדרו לה ויש עוד. לשדרג את החומרה

שמפשטים את ההתקשרות עם מרכיבי החומרה וזאת VIבנוסף בנינו מספר , להרחיב את היכולות שלה

.כל זאת ללא צורך לשדרג דבר, כדי לתת נקודת פתיחה טובה לפרויקט הבא

התהליך היה , טעות אנוש גרמה לפגיעה בבקר ונאלצנו להחליפו בבקר אחר, במהלך העבודה על הפרויקט

אם יהיה צורך , ופן כמעט שקוףפשוט מאוד מכיוון שהסביבה מאפשרת שדרוג לחומרה מתקדמת יותר בא

.בכך

40 סיכום ומסקנות|

:החיישנים

. הטכנולוגיה בשל מגבלות יהווה מכשול גדול GPSשה ו את הפרויקט החשש העיקרי היהנכאשר התחל

שונות אבל קשה לדעת אילו והבנו שקיימים מספר טכנולוגיות המאפשרות רמות דיוק GPSלמדנו על ה

" מספיקה"מעבר לכך היה קשה להעריך איזו רמת דיוק היא ו, מהן זמינות בארץ ומה הדיוק שיתקבל כאן

בלבד להגיע לעקיבה אחר GPSאחד המאמרים שעליהם הסתמכנו הראה שניתן בעזרת . לצרכים שלנו

ההחלטה הייתה להביא . בעלות דיוק גבוה DGPSשם קיימות מערכות ב "מסלול אך ניסוי זה בוצע בארה

. ובמידת הצורך להוסיף כלים על מנת להתגבר על המגבלות את הרובוט לניסוי ולבחון את התוצאות

שנבחר לשימוש עוד בפרויקט הקודם מציג יכולות מרשימות ודיוק גבוה מאוד שלא GPSה, לסיכום

.הצריך עבודה נוספת

שהקשה על מדידה מדויקת וגם סיפק , PWMי "בתחילת העבודה הממשק עם המצפן היה ע –המצפן

ולספק קצב I2Cתוך כדי העבודה למדנו כי למצפן יכולת לתקשר בפרוטוקול . קצב מדידה נמוך יחסית

כאשר המימוש של הבקר , וקיבלנו החלטה לעבור לעבוד בפרוטוקול זה, קריאה גבוה יותר ודיוק רב יותר

.מוכן VIתוך התבססות והטמעה של FPGAבוצע על גבי ה

נאלצנו להתמודד עם בעיות הנדסיות אמיתיות , העבודה על הפרויקט התגלתה כמאתגרת ביותר, לסיכום

אנו חושבים שהתנסות זו תרמה לנו רבות בהכרת בעיות הנדסיות . ולהציג בסופו של דבר מוצר שעובד

לדוגמא . יקר הזמןשלא תמיד ניתן לחזות איפה יהיו הכשלים והיכן יושקע ע, שצצות במערכות אמיתיות

ומצד שני לא צפינו קושי , וגילינו שדווקא חלק זה הלך בקלות יחסית GPSצפינו בעיה קשה עם דיוק ה

גזלו מאיתנו זמן רב בסופו אך דווקא ההיגוי וההינע או הפעלת הגלגלים האחורים, בייצוב בקרת ההיגוי

הציג תוצאות ממשיות ולא להסתפק לדעתנו היתרון הגדול בפרויקט מסוג זה הוא יכולת ל. של דבר

.בסימולציה או מודל תיאורטי

רעיונות להמשך

:אפשר להוסיף לרובוט פונקציות רבות ומגוונות, מכיוון שהפלטפורה אותה בנינו מאפשרת ממשק נוח

י חוג פתוח"כיום שליטה במהירות היא ע –הוספת חוג מהירות.

או אזורים בעלי אות , הוספת מדידים אינרציאלים ויכולת לנווט את הרובוט בתוך מבניםGPS

.גרוע

י אלגוריתם התווית נתיב שיאפשרו הזנת כתובת יעד בלבד"הוספת יכולת ליצור מסלול ע ,

.והמסלול יקבע עצמאית

בר חציה וסכנות כמו מעהקניית כל היכולות הנדרשות ממנו י"ע" כלב נחייה"הסבה של הרובוט ל

.י הוספת מצלמה למשל ותגובה לפקודות קוליות"אחרות ע

ראות את הטכניוןהבאים ל מבקריםרובוט מדריך שילווה.

42 נספחים|

נספחים .8

דף נתונים של המצפן –' נספח א

:הקלק על הקישור על מנת לפתוח את הקובץ

Documentation on

CMPS03 revisions prior to Rev14.pdf

NI sbRio 9642 Quick Reference –' נספח ב


pinout.pdf

דף נתונים חיישני קירבה –' נספח ג


srf04tech.pdf

GPS :Garmin 16x – LVSדף נתונים –' נספח ד

:על מנת לפתוח את הקובץהקלק על הקישור

GPS16x_TechnicalSpe

cifications.pdf

PIDשיטת זיגלר ניקולס לכיול –' נספח ה


ziggler.pdf

43 מקורות|

מקורות .9

.ספר פרויקט קודם. 1

2. GNSS Applications and Methods by Scott Gleason, Demoz Gebre-egiabher

3. National Instruments – Web tutorials for LabView

4. Land-vehicle navigation using GPS - IEEE

5. Accurate Waypoint Navigation Using Nondifferential GPS – San Diago Uni’

http://www8.cs.umu.se/research/ifor/dl/LOCALIZATION-NAVIGATION/Land-Vehicle%20Navigation%20Using%20GPS.pdf

http://www8.cs.umu.se/research/ifor/dl/LOCALIZATION-NAVIGATION/Land-Vehicle%20Navigation%20Using%20GPS.pdf

http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.18.5930&rep=rep1&type=pdf





jeepy's gps ססובמ יטובור פי'ג טווינ םילושכמ ינשייחו...

Documents