UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Aleš Ti adar

VODENJE AVTONOMNEGA ROBOTA Z INTERNO

LOKALIZACIJO TER KARTIRANJEM PROSTORA

Diplomsko delo

Maribor, avgust 2017

VODENJE AVTONOMNEGA ROBOTA Z INTERNO LOKALIZACIJO TER

KARTIRANJEM PROSTORA

Diplomsko delo

Štude t: Aleš Ti adar

Študijski progra : U i erzitet i študijski progra

Elektrotehnika

Smer: Avtomatika in Robotika

Mentor: do . dr. A drej Sarjaš, u i . dipl. i ž. el.

II

Vodenje avtonomnega robota z interno lokalizacijo ter

kartiranjem prostora

Ključne besede: regula ija, a to o i ro ot, la iri t, zaprtoza č o ode je, teh ika flood

fill.

UDK:

Povzetek

V te delu so predstavlje e stroj e i progra ske rešitve za izgrad jo avto o ega

ro ota. Pri zaje u zu a jih podatkov okoli e ro ot raču a i ter o lokaliza ijo ter s po očjo

informacije o prepotovani razdalji in smeri, robot kartira okolico v neznanem prostoru. V

delu so opisa e ko po e te za ata č o erje je veliči , zrave pa poudarje e regula ije,

ki pripomorejo h kalibraciji sistema na zunanjo okolico.

III

Guidance of autonomous robot with internal

localization and mapping of unknown space

Key words: feedback control, autonomous robot, maze, closed-Loop control, flood fill

UDK:

Abstract

This work describes a solutions of a hardware and software problems in designing of an

autonomous robot. By capturing environment data, robot calculates current position at

given time regarding to the past knowledge of distance and heading direction, which allows

to map its enviroment in unknown space. Further, document describes tehnical solution to

accurate measurments, alongside with regulations of system for calibration with external

point of reference.

VI

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................... 1

2 OPIS ELEKTRIČNEGA VEZJA ................................................................... 2

2.1 MIKROKRMILNIK .................................................................................................. 3

2.1.1 Emulator .................................................................................................... 4

2.2 NAPAJANJE ........................................................................................................... 4

2.2.1 WEBENCH .................................................................................................. 5

2.2.2 Pretvornik navzgor .................................................................................... 5

2.2.3 Pretvornik navzgor-navzdol ...................................................................... 5

2.2.4 Polnjenje baterije ...................................................................................... 6

2.3 RAZPOREDITEV SENZORJEV ................................................................................. 7

2.4 MERITVE ANALOGNIH SPREMENLJIVK ................................................................ 8

2.4.1 Tokovno merilni sklopi .............................................................................. 9

2.4.2 Napetostno merilni sklopi ......................................................................... 9

2.4.3 Merjenje aktivnih PIN-diod ..................................................................... 10

2.4.4 Tokovni generator za vodenje IR-diod .................................................... 10

2.5 KOMUNIKACIJA .................................................................................................. 10

2.6 MOTOR .............................................................................................................. 11

2.6.1 Inkrementalni dajalnik ............................................................................ 11

2.6.2 Preklopne tehnike H- ostiča .................................................................. 12

3 IZDELAVA TISKANEGA VEZJA ............................................................... 13

4 RAČUNALNIŠKO NAČRTOVANJE .......................................................... 14

4.1 MERITEV MOTORJA ........................................................................................... 14

VII

4.2 REGULACIJA MOTORJA ...................................................................................... 14

4.3 REŠEVANJE LABIRINTA ) OTOKI ......................................................................... 18

4.3.1 »Flood fill« ............................................................................................... 18

4.4 UPORABNIŠKI VMESNIK ..................................................................................... 19

5 REGULACIJE ZA ZAZNAVANJE POLOŽAJA – GIBANJA ............................ 20

5.1 PROFIL GIBANJA ................................................................................................. 20

5.1.1 Hitrostni profil ......................................................................................... 21

5.2 REGULACIJE )A KOREKCIJO POLOŽAJA .............................................................. 21

5.2.1 Oddaljenost in vzporednost robota od stene ......................................... 21

5.3 REGULACIJA ORIENTACIJE ................................................................................. 21

6 KONČNI REZULTAT............................................................................... 22

7 SKLEP .................................................................................................. 24

8 VIRI ..................................................................................................... 25

1 PRILOGA: ELEKTRIČNA SHEMA ............................................................ 28

VIII

KAZALO SLIK

Slika 1- D odel doko ča ega ro ota .............................................................................. 1

Slika 2-1 Graf polnjenja baterije ............................................................................................ 6

Slika 2-2 Razporeditev senzorjev ........................................................................................... 7

Slika 2- Difere č i ojače al ik ............................................................................................. 9

Slika 2- Fotodioda z ojače al iko ................................................................................... 10

Slika 2-5 Signal inkrementalnega dajalnika ......................................................................... 11

Slika 2-6 H- ostič, Fast-Slow decay .................................................................................... 12

Slika 3-1 Tiskanina ............................................................................................................... 13

Slika 4-1 Simulacija regulacije motorja ................................................................................ 15

Slika 4-2 Graf odziva motorja z vhodno stopnico 800mm/s ............................................... 16

Slika 4- Graf regula ije z pelja i šu o ter z hod o stop i o /s .................. 16

Slika 4-4 Graf razdalje brez regulacije ................................................................................. 17

Slika 4- Graf razdalje z regula ijo i pelja i šu o ..................................................... 17

Slika 4-6 Labirint .................................................................................................................. 18

Slika 4- Upora iški es ik ............................................................................................. 19

Slika 5-1 Trapezoidni in S profil ........................................................................................... 20

Slika 6-1 Graf robota med delovanjem ................................................................................ 23

Slika 6- Doko ča sesta lje ro ot ................................................................................... 23

Aleš Tivadar

1

1 UVOD

Avtonomni robot je robot z visoko stopnjo samostojnosti, ki zajema informacije iz okolice,

opravlja zastavljene naloge, se prilagaja spremembam okolice ter vse to opravi z minimalno

po očjo člo eka. Avtonomni roboti se uporabljajo v industriji, prometu, vesolju in

medicini.

Glo al i siste pozi io ira ja je da aš je času zelo razširje ter ga za orie ta ijo

uporablja ogromno robotov. Problem nastopi pri orientaciji v majhnih zaprtih prostorih.

Poznamo tehnike lokalizacije z uporabo triangulacije, vendar se za delovanje potrebujejo

zu a je aprej a ešče e apra e. )a odpra o zu a jih apra i ro ot oral z eliko

ata č ostjo zaz a ati last e pre ike, okoli o ter si i for a ije kartirati spo in. S temi

pro le i se se uk arjal ed ust arja je ko č e aloge.

Slika 1-1 3D-model dokončanega robota

Aleš Tivadar

2

2 OPIS ELEKTRIČNEGA VEZJA

)a hitro refere o opisa ih sklopo te doku e tu so spodaj ašteti sesta i deli ro ota

s pripadajoči i ko po e ta i, električ a she a pa je doda a prilogi dela.

• Mikrokrmilnik: TMS320F28027 Piccolo serija C2000.

• Programirni sklop: FT2232D, flip-flop SN74LVC2G74, EEPROM 93LC46B.

To so vsi sestavni deli programirnega sklopa XDS100v1.

• Polnjenje baterije: BQ24232HA.

• Pretvornik navzgor: TPS61175.

• Pretvornik navzdol/navzgor: TPS63050.

• Analogni pretvorki toka: INA21X.

)a refere o . V ki jo čip potre uje za delo a je , je upora lje MCP T

ojače al ik. Merijo se toki otorje , aterije.

• Vodenje motorjev: A4952.

• Komunikacija: CC2541_HM-10, ESP8266.

Upora lje a je lahko sa o e a ko u ika ija po želji upora ika.

• Pospeško eter: MMA Q.

Je ključe o ezje, e dar se e upora lja pri te delu.

• Reguliranje toka: NCR405U.

Potrebno pri vodenju IR diod za konstantno svetilnost.

• Ojače al iki za PIN diode: MCP T.

• Motor: Escap-16.

• PIN dioda: BPV10NF.

• IR dioda: VSLY5940.

Aleš Tivadar

3

2.1 MIKROKRMILNIK

Uporabljen mikrokrmilnik TMS320F28027 uporablja C28x jedro v povezavi z integriranimi

perifer i i e ota i ohišju ajh e iz ed e.

Ta mikrokrmilnik se je izbral zaradi:

• I ter e MHz frek e e ure, kar je zadostilo pogoj izraču o e ač času

zorče ja . s .

• 32- it a e tral o pro es a e ota, za hitrejši i ata č ejši izraču pla ajoče

vejice.

• Hitrejši preki it e i časi pri erja i s podobnimi serijami mikrokrmilnikov.

• Trije 32- it i časo iki, za preki it e o ruti o zorče ja i zaje a podatko .

• Samostojni 16- it i časo iki za ge erira je PWM Pulse-width modulation)

signala.

• Serijski vmesnik UART (Universal asynchronous receiver/transmitter) za

komunikacijo.

• Dva 12-bitna ADC (Analog digital converter) jedra za hkratni zajem analognih

podatkov parov senzorjev na vsaki strani robota (postavitev parov senzorjev,

opisa o pogla ju »Razporedite se zorje « .

• Mož ost zu a jih preki ite za zajem impulzov inkrementalnega dajalnika motorja.

Progra je apisa raz oj e okolju »Code Co poser « od proiz ajal a Te as

I stru e ts. )a različ e asta it e ikrokr il ika so ile upora lje e kode iz sklopa

datotek »Co trol Suit« areje o za DSP (Digital signal processor) mikrokrmilnike.

Aleš Tivadar

4

2.1.1 Emulator

)aradi ečkrat ega progra ira ja i a ro ot graje e ulator. Glede a e o i

ko pleks ost ezja se se odločil za e ulator »XDS «.

Le-tega lahko do i o treh različ ih erzijah. Vse tri erzije so zgraje e okoli FT D čipa.

S kombinacijo EEPROM-a lahko a čipu e ulira o JTAG ko u ika ijo. Progra ira je

EEPROM-a poteka s po očjo FT D čipa i progra o »Mpro . «. Naj o ejši zad ji

erziji e ulatorja se ujeta FPGA čip. Preko tega se dosegajo hitrejši časi razhrošče a ja,

kar je pomembno pri velikih programih. Ker tega nisem potreboval, sem vgradil prvo verzijo

e ulatorja »XDS «.

FT D čip podpira USB . sta dard. Pri te sta dardu je določe aksi al i tok pora e

500mA, ampak samo, ko zunanja naprava zahteva za tak tok. Po privzeti nastavitvi je

izhod i tok o eje s A. Tako se oral EEPROM zapisati ukaz, da pri priključit i

FT D čipa zahte a A izhod ega toka iz USB . porta.

2.2 NAPAJANJE

Napaja je je e a iz ed ključ ih ko po e t za sako ezje. Pri do re ačrto a ju o

apaja je ed o udilo zadost o e ergijo, zaščito ter o uči ko ito glede a pora lje o

energijo.

Robot uporablja:

• 12 V za vodenje motorjev,

• 3.3 V za napajanje digitalnega sklopa,

• 5 V za programiranje in

• 4.1 V za polnjenje baterije.

)a doseg aj oljših izkoristko so ili upora lje i digital i pret or iki apetosti.

Aleš Tivadar

5

2.2.1 WEBENCH

Je spletna aplikacija od proizvajalca Texas Instruments, katera ponuja zasnovanje digitalnih

pretvornikov napetosti.

V aplikacijo uporabnik vnese podatke o vhodni napetosti, izhodni napetosti, delovni

temperaturi, vhodnem toku in izhodnem toku. Aplikacija preko vhodnih kriterijev ponudi

se pri er e izdelke s pripadajoči i električ i i she a i.

Slaba stran aplikacije je prikaz zastarelih elementov ali elementov, ki ne ustrezajo

uporabnikovim zahtevam. Zaradi tega sem vse komponente nadomestil s svojimi, pri tem

pa upošte al podatko i list pret or ika, za doseg aj ečjega izkoristka.

2.2.2 Pretvornik navzgor

Pret or ik a zgor po iša apetost, z iža tok, od apajal ega ira do izhod ega re e a.

Razlog za pretvornik navzgor je, da pri 12 V napetosti motorji Escap- dosežejo

maksimalno hitrost vrtenja.

Upora lje je čip TPS od Te as I stru e ts. )ahte a je ila, da je izkoristek

8.0Vhod

Izhod

P

P

.

Pri pol je ju aterije lahko upora ik upra lja i progra ira ro ota. Pri te se upošte a

maksimalni tok 500 mA na izbrani USB 2.0 port. Digitalni sklop z mikrokrmilnikom porablja

pri liž o A toka, pol je je aterije pa poteka pri konstantnem 400 mA toku. Ker bi

otorji pora ili pre eč toka, se pri pol je ju aterije pret or ik a zgor izključi.

2.2.3 Pretvornik navzgor-navzdol

Pretvornik navzgor- a zdol po iša ali z iža apetost glede a hod o apajal o apetost.

Robot uporablja eno Li-po (Lithium polymer) baterijo. Le-ta napolnjena ima 4.1 V napetost.

Robot za digitalni sklop uporablja 3.3 V napajanje, zato se s pretvornikom napetost

Aleš Tivadar

6

z a jša. Ko apetost aterije pade pod to apetostjo, se apetost z iša i s te izkoristi o

dodatno kapacitivnost baterije.

Upora lje je čip TPS od Te as I stru e ts. )ahte a je ila, da je izkoristek

8.0Vhod

Izhod

P

P

.

2.2.4 Polnjenje baterije

Robot s kombinacijo digitalnega sklopa, senzorjev in dveh motorjev s polno obremenitvijo

porablja 1,5 A toka pri 3.6 V bateriji. Li-po baterija ima zelo majhno notranjo upornost, zato

je pri er a iz ira za ta projekt. Sla ost teh aterij je o čutlji ost a ajh e fizič e

poškod e i pregre a je, kar lahko pripelje do eksplozije. )ato se aterijo ustrez o

zaščitil s te peratur i se zorje , ter le-tega preklopil a čip BQ HA. )ra e zaščite

čip pol i aterijo.

Slika 2-1 Graf polnjenja baterije

Pol je je se zač e po pre erja ju kratkega stika, če ta e o staja, se zač e pol je je.

Polnjenje se izvede v treh fazah: opcijsko predhodno polnjenje, konstantno tokovno hitro

polnjenje in konstantno napetostno polnjenje. Pri vsaki fazi se kontrolira temperatura

Aleš Tivadar

7

i tegrira ega ezja ter te peratura aterije. V pri eru presežka določe e eje se

opcijsko nastavi) pa se regula ijski tok z a jša.

2.3 RAZPOREDITEV SENZORJEV

)az a a je ste se eri s pošilja je regulira e i frardeče IR-svetlobe, le-ta odbita

s etlo a se eri z akti i i fotodioda i. Merite je opisa a sklopu »Merje je akti ih

PIN-diod«.

Stene lahko zazna a o različ o glede a pozi ijo se zorje . Se eda se lahko se zorji

a estijo a eč ači o , od is o od projekta. Glede a oj projekt se i el ačrtu tri

različ e ko figura ije.

Slika 2-2 Razporeditev senzorjev

• Osnovna minimalna konfiguracija senzorjev

Pri tej konfiguraciji imamo tri senzorje, ki zaznavajo prednjo, desno ter levo steno. Robot

se bo lahko premikal po prostoru, se reguliral po razdalji od sten, vendar se ne bo mogel

regulirati po kotu glede a določe o ste o. Do ra stra te ko figura ije je cena, kajti

uporabljeni so samo trije sklopi meritev IR-svetlobe.

Aleš Tivadar

8

• Napredna konfiguracija

Ta konfiguracija je implementirana v trenutno sestavljen robot. Ima 8 senzorjev, kar nam

o ogoči regula ijo razdalj od seh stra i ter regula ijo po kotu a določe o ste o. S to

ko figura ijo i a o pokrito elot o zu a je o očje ro ota. Sla ost te ko figura ije je

e a, e dar je hkrati aj olj opti al a rešite glede a z oglji ost.

Problem konfiguracije se je izkazal pri testiranju robota. Senzorji so pomaknjeni do roba

tiskanega vezja. V primeru, da se robot zaradi napake dotakne stene, se odbojna svetloba

razprši a se stra i ter posledič o spreje i se zor e zaz a pra il e li ear osti ed

sprejeto svetlobo in oddaljenosti med steno. Popravljena konfiguracija bi imela senzorje,

pomaknjene za 2 cm v notranjost tiskanega vezja.

• Tekmovalna konfiguracija

Tek o al a ko figura ija se upora lja pri tek o a ju »Mi ro ouse«. Cilj tega

tek o a ja je rešiti la iri t z otoki, ajti ajkrajšo pot ter opra iti se te ilje ajkrajše

času. )a prido ite a hitrosti ora ro ot hitro pospeše ati ter za irati. )a pra il o

zaviranje brez zdrsa mora robot predhodno zaznati steno. Zaradi tega so senzorji vgrajeni

pod kotom.

2.4 MERITVE ANALOGNIH SPREMENLJIVK

Za pravilno vodenje robota je treba zajemati informacije iz okolice ter tudi notranje

trenutne spremenljivke robota.

Analogne meritve:

• napetost baterije,

• USB-napetost oziroma opcijsko zunanje napajanje,

• tok baterije,

• toki motorja,

• tokovno merjenje fotodiod z operacijskim ojače al iko .

Aleš Tivadar

9

2.4.1 Tokovno merilni sklopi

Tokovno merilni sklopi so bili dodani za vodenje − reguliranje motorjev in kontrolo toka

aterije za spre lja je tre ut o pora lje e oči ro ota.

Upora lje je difere č i ojače al ik. Ker elja raz erje 3

4

1

2

R

R

R

R

, je ojača je defi ira o

kot 1

2

R

R

. Refere č a apetost se doda izhodu ter s te ož ost erite egati ih toko .

Tok se meri s strani od napajanje proti bremenu ter s tem odstranimo motnje, ki nastanejo

pri skupni masi.

Slika 2-3 Diferenčni ojačevalnik

2.4.2 Napetostno merilni sklopi

Meritve napetosti baterije in USB-ja se opravljajo zaradi kontrole nad sistemom.

Upora lje je apetost i delil ik, zato se pri izraču u upora i e ač a:

21

21

RR

RVVout

(R2 upor je vezan na maso).

Aleš Tivadar

10

2.4.3 Merjenje aktivnih PIN-diod

Robot oddaja ozki 3° kot s etil osti pri spektru alo e dolži e . )aradi elikega

šu a iz okoli e je upora lje a filtrira a fotodioda. Upora lje je tudi progra ski filter, ki

shra i refere č i šu iz okoli e, iz eri od ito s etlo o ter odšteje prejš je iz erje

refere č i šu . Vse to deluje pri frek e i kHz. Fotoupor i fototra zistor i ata

paso o širi o pod to frek e o, zato je upora lje a fotodioda. Fotodioda je akti i

element, zato merimo njegov tok glede na sprejeto svetlobo preko upora in operacijskega

ojače al ika slika -4).

E ač a za določite izhod e apetosti: )( fotodiodaout IRV

Slika 2-4 Fotodioda z ojačevalnikom

2.4.4 Tokovni generator za vodenje IR-diod

Oddano svetlobo pri IR-diodi definira tok. Pri uporabi upora kot tokovni omejevalnik bi se

čez čas aku ulirala ajh a apaka, e dar pre elika za ata č o erje je razdalje od

ste . )aradi tega je upora lje toko i ge erator s čipo NCR U.

2.5 KOMUNIKACIJA

Komunikacija pri robotu se upora lja zgolj kot upora iški es ik za zaje podatko i

ko trolo siste a ro ota. Ko u ika ija je rezžič a ter poteka preko Bluetooth odula

CC2541-HM- . )ra e je doda a ož ost za adgrad jo a Wi-fi modul ESP8266.

Aleš Tivadar

11

)a upora iški es ik je upora lje a o il a a droid aplika ija »Bluetooth Ele tro i s«,

kjer si upora ik ko figurira ko u ika ijo i jo prikazuje a različ ih že aprej areje ih

ikonah.

2.6 MOTOR

Motor Escap-16 je bil izbran zaradi vgrajenega inkrementalnega dajalnika in reduktorja.

Specifikacije:

• rp Rotatio per i ute a ko č i osi reduktorja,

• prestavno razmerje 27:1,

• ppr Pulze per rotatio a osi otorja. ) upošte a je reduktorja i a otor

3456ppr,

• 0.143 Nm navora,

• 2 V−5 V napajanje inkrementalnega dajalnika,

• 12 V napajanje motorja,

• 300 mA nazivni tok prosti tek 15 mA.

2.6.1 Inkrementalni dajalnik

Se uporablja kot povratna informacija mikrokrmilniku pri vodenju motorjev. Inkrementalni

dajal ik ge erira pra okot i sig al glede a določe kot o rata, zra e pa ge erira °

pre ak je sig al, ki določa s er rte ja otorja.

Aleš Tivadar

13

za or o e ergijo. Pri »fast de a u« lahko to e ergijo pošlje o siste u azaj ter pol i o

aterijo, lahko pa aredi o kratki stik otorja »slo de a « ter izkoristi o i du ira o

energijo za zaviranje.

Preklopa sta zelo pomembna pri reguliranju motorja s PWM-sig alo . »Fast de a « se

uporablja pri hitrem vrtenju motorja zaradi hitre spraznitve inducirane napetosti ter

posledič o po iša ju izkoristka. Nasprot o te u pa se upora i »slo de a « pri počas e

i ata č e rte ju otorja za izločite pre ihaja otorja.

3 IZDELAVA TISKANEGA VEZJA

Električ i ačrt i tiska o ezje je ilo ačrto a o progra u »Altiu desig er «. She e

električ ih ezij tiska i e so prilogi dela. Vezje je za profesio al o izdela o ilo

posredo a o proiz ajal u »PCB a «. Slika -1 prikazuje tiskanino robota.

Slika 3-1 Tiskanina

Ko po e te so ile prispajka e s ko i a ijo spajkal e paste i spajkal ika a roči zrak.

Ogrodje za motor je bilo narejeno s 3D-printerjem ter pritrjeno tiskanino z vijaki.

Aleš Tivadar

14

4 RAČUNALNIŠKO NAČRTOVANJE

4.1 MERITEV MOTORJA

Meritve motorja se uporabljajo za modeliranje in identifikacijo sistema.

Sesta lje ro ot je il polože a ra o po rši o. S te se je ključil faktor tre ja i

lepljenja. Motorju je bila doda a apetost V, o liki stop ič ega sig ala. I kre e tal i

dajal ik je ed delo a je ro ota pošiljal pulze, ikrokr il ik pa času . s zorčil

šte ilo pulzo . Preko UART-ko u ika ije so se podatki pošiljali a raču al ik.

Sprejetih je bilo 100 podatko o frek e ah rte ja otorja. Naj ečja red ost je ila

pulzo a . s. Preko sesta lje e e ač e se je izraču ala deja ska hitrost ro ota.

smmppr

rv /873

345603.0

018.02800

03.0

2800

Kjer je v hitrost, r polmer kolesa ter ppr šte ilo pulzo a o rat kolesa.

S prido lje i i podatki se je s »s ste ide tifi atio tool« progra u Matla sesta ila

diskretna prenosna funkcija drugega reda.

4.2 REGULACIJA MOTORJA

Slika 4- prikazuje odzi odprte pre os e fu k ije otorja, ko se a hod doda stop ič i

odziv vrednosti 800 mm/s. Ker o siste delo al real e okolju ora o peljat šu e

okolja. Šu se poja i kot spre e a po rši e kar ključuje spre e o tre ja i leplje ja

robota), pojavi se pa tudi kot neenakomerno delovanja motorja zaradi notranjih

spremenljivk. Po izmerje ih podatkih se zaokrožil, da šu ge erira ± /s

spremembe za vsaki motor. Ta sprememba je zadostna, da se bo robot premikal rahlo v

drugo smer. Zaradi tega je pred prenosno funkcijo dodan PI-regulator. Na sliki 4-1 je

prikazan sistem za vodenje robota. )a kreira je siste a se upora il progra »Si uli k«.

Aleš Tivadar

15

Slika 4-1 Simulacija regulacije motorja

Če izhod siste a kar je hitrost i tegrira o i doda o koefi ie t za ko pe za ijo časa

zorče ja, do i o razdaljo, kar prikazuje slika -4. Na sliki 4-4 lahko razberemo, da levi

otor prehite a des ega, kar po e i, da se ro ot gi lje pod določe i koto i e

ara ost kot je žele o. )a regula ijo te apake odšteje o razdaljo le ega i des ega

otorja s te do i o apako razdalje ter to apako prišteje o levemu motorju in

odšteje o des e u. S te doseže o rezultat, ki je prikaza a sliki -5. Napaki lahko

doda o propor io ale faktor ter tako ojača o ali osla i o apako. Pri ko č e

delo a ju o ro ot o delo al eč regula ij hkrati, zato so si faktorji regulacij skalibrirani

med testiranjem robota.

Aleš Tivadar

16

Slika 4-2 Graf odziva motorja z vhodno stopnico 800 mm/s

Slika 4-3 Graf regulacije z vpeljanim šumom ter z vhodno stopnico 800 mm/s

Aleš Tivadar

17

Slika 4-4 Graf razdalje brez regulacije

Slika 4-5 Graf razdalje z regulacijo in vpeljanim šumom

Aleš Tivadar

18

4.3 REŠEVANJE LABIRINTA ) OTOKI

Poz a o d e rsti la iri to , la iri t, ki ga je ož o rešiti s slede je ste e ter la iri t z

otoki, ki i a tri ali eč ste , ki iso po eza e z ostali i ste a i. Pri te la iri tu si ro ot

kartira la iri t ter zapo i ajkrajšo pot.

4.3.1 »Flood fill«

Popla i algorite se upora lja pri raču al iških progra ih za zapol ite določe ih

prostoro . Kot pri er lahko izposta i progra »Slikar« a siste u »Wi do s«. Ko

ariše o polju e zore ter ga hoče o pobarvati, uporabimo orodje za zapolnitev vzorca

z ar o. Algorite flood fill zač e ar at pri določe e pikslu ter poišče i po ar a se

nezapolnjene piksle do meje narisanega vzorca.

Slika 4-6 Labirint

Pred ide a o, da i a ro ot začet o točko »start« (slika 4-6). Robot ima cilj, da pride do

ko č ega polja »e d«, kar je določe o s koordi ata i [ , ]. Ro ot po pri zeti asta it i

asta i os a des o stra , os pa s eri aprej. Ko se progra zač e iz ajati, ro ot

preveri stene po vrstnem redu: spredaj, des o, zadaj. Če po rst e redu e zaz a proste

poti, javi napako. Po tem principu se robot pomika naprej ter si zapomni vsako polje

la iri ta kot e o šte ilko eč od zad jega polja. Ko aleti a slepo uli o kjer je edi a op ija

Aleš Tivadar

19

r ite a prejš je polje , ro ot oz ači polje kot slepo uli o prikaza kli aj a sliki -6).

Ro ot se o r e i zač e slediti poti azaj, dokler e ajde prostega polja. Po te algorit u

o ro ot ed o ašel izhod oziro a iska o koordi at o točko la iri ta. )aradi sprot ega

oz ače a ja polj lahko ro ot a ko u izraču a ajkrajšo pot.

4.4 UPORABNIŠKI VMESNIK

Slika 4-7 Uporabniški vmesnik

Upora iški es ik je areje a o il e siste u A droid. Preko es ika se

prikazujejo podatki ro ota real e času. V es ik je sesta ljen iz leve in desne strani.

Na desni strani od vrha vmesnik prikazuje razdaljo od sprednje stene. Vrednosti se gibljejo

od 0 do 2000 enot. Za enoto razdalje bi se moral vpeljati koeficient, ampak so vrednosti

oddaljenosti zaradi konstantne kalibracije senzorjev brez enot. Pod prikazovalnikom

sprednje stene imamo prikazovalnik desne stene, pod tem pa sivi pravokotnik, ki prikazuje

koordinate x-osi labirinta (nasprotno temu na levi strani je y os). Zraven je merilnik hitrosti

šte a, aksi al a o eje a hitrost je 700 mm/s. Spodaj v desnem kotu se nahajata dva

prikazovalnika razdalje zadnje stene in desne stene.

Aleš Tivadar

20

Sredi ska ko zola je sesta lje a iz zele ega i rdečega gu a. )ele i gu o ogoči

iz aja je progra a, rdeči pa ge erira zasil o usta ite primeru, da se robot zaleti ali uide

izpod nadzora). Pod tipkami so trije prikazovalniki: od zgoraj navzdol: prikazovalnik

napetosti baterije v [mV], prikazovalnik toka baterije v [mA] in prikazovalnik zunanje USB

napetosti v [mV].

5 REGULACIJE ZA ZAZNAVANJE POLOŽAJA – GIBANJA

5.1 PROFIL GIBANJA

Pri gi a ju ro ota je po e o, da se izog e o apaka tresljaje , kar po zroči e ad a

spre e a gi a ja. Ko ro ot hoče doseči ese o upora iko o hitrost, se ust ari

stop ič i sig al hitrosti. Če iz tega sig ala s po očjo odvoda za majhno spremembo)

izpelje o pospešek, do i o ogro i pospešek. To real e siste u po zroči aksi al i

pospešek i s te e ad o spre e o gi a ja. )a odpra o poja a se upora i hitrost i

profil, za generiranje trapezoidnega profila (slika 5-1).

Sa pospešek lahko o čutlji ih siste ih pra tako po zroči e ad o gi a je. Če gre o

korak aprej i od aja o pospešek, do i o tako i e o a i »jerk«. )družite profila

hitrosti i pospeška a sesta i S-profil, ki je prikazan na sliki 5-1.

Slika 5-1 Trapezoidni in S-profil

Aleš Tivadar

21

5.1.1 Hitrostni profil

Hitrost i profil poskr i za ko sta t i pospešek. V progra ski kodi defi ira o pospešek ter

žele o hitrost. Progra po i tegra ijske koraku . s i tegrira pospešek, dokler se e

doseže ko č a žele a hitrost. )a ira je poteka po iste pri ipu. V progra u lahko loče o

defi ira o pospeše a je ter za ira je.

Hitrost i profil se upošte a pri regula iji gi a ja aprej ali azaj, e dar se e upošte a pri

regula iji ste , kajti ta refere o položaja določa ste a.

5.2 REGULACIJE )A KOREKCIJO POLOŽAJA

Ro ot se po regula iji hitrosti i pre ože i razdalji orie tira prostoru. Teža a astopi, ko

se v okolju pojavi objekt. V tem primeru mora robot zaznati oviro, jo analizirati, se je izogniti

ali se po njej skalibrirati.

5.2.1 Oddaljenost in vzporednost robota od stene

Predpostavimo, da imamo dolgo ravnino brez ovir. Robot izvaja regulacijo hitrosti in

razdalje za ata č o ož jo ara ost. Ko aleti a o jekt, se ro ot zregulira, a pak

napaka pomika robota levo ali desno ostane (po sliki 4-4 lahko vidimo prav ta pojav).

Ker nekaterih napak z regulacijo motorjev ne moremo odpraviti, uporabimo zunanjo

referenco, po kateri se bo robot reguliral.

Podatki o oviri se dobijo iz dveh senzorjev na vsaki strani robota. Srednja vrednost senzorjev

a po e oddalje ost od ste e, pri erja a se zorje pa zpored ost. Če združi o ta

podatka, dobimo pravilno kalibracijo robota glede na steno.

5.3 REGULACIJA ORIENTACIJE

Ker pri obratu robota pride do nenadne spremembe gibanja ter s tem do velikega pogreška,

se pred o rato izraču a hitrost o rača ja, le-ta pa je defi ira a s pospeško . Isto

etodo se upora il pri pospeše a ju ro ota aprej/ azaj pogla je hitrost i profil .

Aleš Tivadar

22

6 KONČNI REZULTAT

Vož jo ro ota po la iri tu si je ogoče ogledati preko aslednje povezave:

https://www.youtube.com/watch?v=Les1Pttd3xg

Ko č i rezultat a prikazuje graf a sliki - , ki je zajet ed reše a je la iri ta slika -

. Grafa prikazujeta hitrost po času le ega i des ega otorja. Grafa sta razdelje a a

delov. Vsak del prikazuje e o ali eč regula ij.

Deli grafa:

1. Ro ot i a defi ira o poto al o hitrost /s. Ko ro ot zaz a o iro, zač e z

za ira je , dokler je razdalja od ste e ečja od . Pred za ira je fu k ija

»hitrost i profil« izraču a spre e o hitrosti po korakih . s za iral i pospešek

je definiran kot 1.2 m/s2). Med zaviranjem poteka regulacija hitrosti in razdalje.

2. Ko se ro ot pri liža o očje od ste e, se iz ede regula ija oddalje osti i

zpored osti od ste e. V tej točki i a ro ot ož ost za kalibracijo na podan

labirint.

3. Pri tej točki ora opo iti, da so zaradi o ejit e aplika ije si podatki grafu

prikaza i z a solut o red ostjo. Tako i orala iti točka des ega otorja

preslika a a egati o stra . Ostale točke so se poziti e. Pri tej točki se iz ede

regula ija o rata otorja po izraču u fu k ije »kot i hitrost i profil«. Izraču ajo se

vrednosti hitrosti in robot se obrne za 90° des o.

4. Tu se iz ede podo a regula ija kot pri točki , e dar s pospeše a je ro ota.

5. Robot je dosegel žele o hitrost, e dar hkrati zaz al ste o, ki i pora a a z

ro oto . Tako je ro ot zra e regula ije po hitrosti i razdalji izraču al regula ijo

vzporednosti in oddaljenosti od leve ter desne stene.

6. Ro ot i i el časa doko čati prejš je regulacije, kajti zaznal je sprednjo steno.

Namesto da bi preklopil regulacijo, je dodal regulacijo zaviranja.

7. Pri zad ji točki ro ot iz ede isto regula ijo kot pri točki .

Aleš Tivadar

23

Slika 6-1 Graf robota med delovanjem

Slika 6-2 Dokončan sestavljen robot

Aleš Tivadar

24

7 SKLEP

Ko č a aloga opisuje izdela o ro ota, prikazuje teh ike erite ter opisuje progra ske

rešit e lokaliza ije i kartira ja. ) oglji ost ro ota je o eje a z ikrokr il iko i iz iro

otorje . ) za e ja o z oglji ejšega ikrokr il ika i lahko ro ot hitreje preraču a al

eč eril ih točk, kar i iz oljšalo delo a je i di a iko. )a e ja a otorje s

ata č ejši i i pripo ogla k oljši resolu iji kartira ja okolja.

Ro ot je izdela kot upora iku prijaze prototip za uče je progra ira ja os o ih kakor

tudi apred ejših algorit o pozi io ira ja i kartira ja.

Aleš Tivadar

25

8 VIRI

[ ] S ečko, R., Diskret i regula ijski siste i, Mari or: Fakulteta za elektroteh iko,

raču al išt o i i for atiko, .

[ ] S ečko, R., Teorija siste o , Mari or: Fakulteta za elektroteh iko, raču al išt o i

informatiko, 2005.

[ ] Refere č a a odila za progra ira je Pi olo siste o :

http://www.ti.com/lit/ug/sprufn3d/sprufn3d.pdf

[4] Opis sestave emulatorja XDS100:

http://processors.wiki.ti.com/index.php/XDS100

[ ] Upora a z oč ih i i frardečih se zorje za erje je razdalje:

http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.193.4326&rep=rep1&type=p

df

[6] Tokovne meritve:

http://www.tij.co.jp/jp/lit/sg/slyb194c/slyb194c.pdf

[ ] Opis algorit a »Flood fill«:

https://en.wikipedia.org/wiki/Flood_fill

Aleš Tivadar

26

Aleš Tivadar

27

Aleš Tivadar

28

1 PRILOGA: ELEKTRIČNA SHEMA

Aleš Tivadar

29

Aleš Tivadar

30

Aleš Tivadar

31

Aleš Tivadar

32

Aleš Tivadar

33

Aleš Tivadar

34

Aleš Tivadar

35

Aleš Tivadar

36

Aleš Tivadar

37