5Конструирование робота в сельской школе для соревнований по кегельрингу на базе микроконтроллера Atmega8

Конструирование робота  для  соревнований по кегельрингу в сельской школе.

на базе микроконтроллера   Atmega8.

1.                   Введение. Актуальность и значимость. Изучение робототехники на базе доступных микроконтроллеров в сельской школе с учетом финансовых возможностей малокомплектных школ. В настоящее время проблема формирования технических знаний, умений и навыков у подростков приобретает особую значимость и актуальность в связи с изменением ценностных ориентаций, когда гордость за свои знания и руки (я это могу сделать сам!) сменило мышление «купи- продай», а то и добудь нечестным или даже преступным способом.

      Снизилось при отсутствии финансирования и количество кружков технического направления из-за их дорогостоящей материальной базы.

      Сократилось число обучающихся в ПТУ, т.к. упал престиж рабочих профессий.

      Новизна. Позабытое старое. Нет необходимости изыскивать большие финансовые затраты, все материалы доступно из старого бытового хлама, (кроме  двигателей с редукторами), и главное конструируя этого робота, учащиеся попутно изучают и алгоритмы, в частности алгоритмы ветвления. 

Сама конструкция робота позволяет дальнейшее усовершенствование, в частности на плате выведены свободные разряды портов, которые в случае необходимости можно запрограммировать для других целей.

Цель проекта.    Разработка и изготовление роботов с нуля с применением доступных материалов, электронных компонентов с минимальной затратой финансовых средств в сельской школе.

Задачи проекта:

2.                  Анализ простейших роботов

3.                  Выбрать подходящую конструкцию робота

4.                  Изучить вспомогательные компьютерные программы для рисования схем и изготовления печатного монтажа.

5.                  Изучить программу codevision для программирования микроконтроллеров AVR.

6.                  Научиться работать с программой   Proteus 7 Professional – системой схемотехнического моделирования.

7.                  Прошивать микроконтроллеры файлом прошивки.

8.                  Собрать робот для соревнований по кегельрингу на базе микроконтроллера   Atmega8.

Стратегия достижения поставленных целей. Реализация поставленных задач будет происходить  в 3 этапа: подготовительный, технологический, итоговый.

Подготовительный: анализ простейших роботов,  выбор компьютерных программ,  выбор подходящей конструкции робота с учетом деталей, накопление деталей и механизмов.

9.                  Технологический: составление и редактирование принципиальной схемы с учетом имеющихся деталей, изготовление печатной платы, монтаж деталей на плату. Составление алгоритма действия робота, программы на языке СИ, компилирование программы и тестирование программы с помощью Proteus 7 Professional – системой схемотехнического моделирования.

Итоговый. Сборка робота в целом, прошивка микроконтроллера, настройка и тестирование робота.

При изготовлении робота были приняты во внимание следующие факторы: доступность материалов и деталей  для изготовления робота  (в финансовом плане), простота конструкции робота,   возможности робота  по усовершенствованию  действий, повторяемость изготовления робота.

Данные робота. С учетом вышеизложенного был собран  робот для соревнований по кегельрингу. Программа составлена на языке программирования Си применительно для данного микроконтроллера.  Питание робота  6 Вольт, редукторы двигателей 1:48, электронная часть собрана на микроконтроллере Atmega8 и  драйвере двигателей  (устройство для управлениями двигателями) L293D.

Дизайн проекта с учетом поставленной задачи (минимизации затрат) оставляет желать лучшего.

ОСНОВНОЕ СДЕРЖАНИЕ.

Цель игры достаточно проста: за максимально короткое время полностью автономный робот должен выбить из круга расположенные в нем кегли. В качестве кеглей используются самые обычные жестяные банки из-под напитков. Банок всего 8, и они равномерно располагаются на ринге: в каждой четверти ринга должно находиться не более двух банок. Банки ставятся на расстоянии 12-15 сантиметров от широкой черной ограничительной линии. Ширина черной линии - 5 см. Диаметр ринга - 1 м., цвет - белый. Традиционным материалом для изготовления ринга служит обычный ватман.
Ограничений не слишком много: допускается использование любых конструкций, которые не превышают размер 20 см. по ширине и длине. Высота и вес робота не ограничиваются. Робот не должен иметь каких-либо приспособлений для выталкивания банок и выбивать их с ринга исключительно своим корпусом. Во время соревнования размеры робота должны оставаться неизменными. Кроме того, запрещено использование каких-либо клейких приспособлений на корпусе робота для сбора кеглей.

1.Подготовительный этап.

 С учетом возможностей школы,  а также новизной проекта была выбрана схема робота бегущего по линии как наиболее простого и доступного в изготовлении. Были выбраны следующие программы:

1.  Для составления программы на языке СИ  и ее компилирования выбрана программа  Codevision, которая позволяет создать проект  по составлению программы на языке Си,  проверить ее на ошибки и получить файл прошивки для микроконтроллера.

2.                   Для схемотехнического моделирования используется программа   Proteus 7 Professional .

3.                  Для прошивки микроконтроллера используется программа  Khazama AVR Programmer

4.                  Программа  для составления печатных плат  Sprint-Layout.

5.                  Программа для рисования электрических схем Splan

2.Технологический

А)Схема робота

Робот изготовлен с применением микроконтроллера Atmega8, драйвера двигателей L293. Он имеет 5 датчиков освещенности, составленных из пары светодиод – фототранзистор (из них задействованы только три датчика путем подбора из 5). Светодиоды и фототранзисторы применены из неисправных извещателей пожарной  охраны. Проводимость фототранзистора зависит от интенсивности падающего на него отраженного от поверхности светового  потока. Интенсивность светового потока зависит от отражающей способности поверхности: белый отражает больше, черный меньше. Два крайних датчика управляют двумя двигателями,  когда они находятся над белым участком , соответствующие двигатели включены и робот движется вперед. Когда один из крайних датчиков  наезжает на линию (черную), соответствующий двигатель останавливается и происходит поворот робота.

Микроконтроллер Atmega8 допускает режим многократного внутрисхемного программирования, т.е. его можно загрузить программой не вынимая из схемы робота.

Б) Пишем программу для робота на языке программирования СИ с помощью программы  Codevision

Условно алгоритм действия робота состоит в повторении одного бесконечного цикла, которая повторяется все время с момента включения напряжения питания.

В цикле проверяются состояния датчиков, и в зависимости от комбинации состояний датчиков включается тот или иной двигатель.

Алгоритм действия робота:

1.В начале робот устанавливается в центре ринга. При этом оба датчика освещены и включаются оба двигателя вперед. (Робот движется по радиусу к черной линии).

2. При достижении черной линии, ограничивающей круг любым из двух датчиков, останавливается двигатель управляемый этим датчиком, а второй двигатель продолжает работать до момента достижения второго датчика границы круга. Таким образом происходит выравнивание робота по отношению к кругу.

3. Когда оба датчика находятся на линии круга, включаются оба двигателя назад на 0,8 сек. (время подбирается с учетом достижения робота центра круга) и робот возвращается в центр круга.

4. Совершается поворот на 45 градусов (время поворота подбирается)   с помощью двух противоположно вращающихся двигателей.

5.Начинается движение вперед и все повторяется сначала.

  

Проверяем правильность написания программы, ошибок не должно быть ( No errors)

Получаем файл прошивки и сохраняем его.

Для схемотехнического моделирования используется программа   Proteus 7 Professional.  Вначале на монтажном столе собираем схематически нашу схему робота, основой которого является микроконтроллер Atmega8, двигатели заменяем светодиодами, для наглядности датчики заменим кнопками-выключателями. Загружаем в память микроконтроллера нашу программу-прошивку и запускаем. Нажатием соответствующих кнопок имитируем срабатывание датчиком…убеждаемся в правильности работы робота.  

Далее необходимо прошивку загрузить в микроконтроллер, для этого используем программу программатор  Khazama AVR Programmer

Выбираем тип микроконтроллера, очищаем флеш-память и загружаем в память микроконтроллера  нашу программу (полученную нами прошивку).

В)  Печатный монтаж составлен с помощью программы  Sprint-Layout  5.0Rus

Макет печатного монтажа распечатывается на фотобумаге, затем с помощью утюга  переносится на фольгированный стеклотекстолит и травится в растворе хлорного железа.

После просушки происходит лужение платы в кипящей воде со сплавом Розе, температура плавления которого составляет 93 градуса. ( Технология ЛУТ - лазерно-утюжная технология). Сверлим, устанавливаем детали, запаиваем. Плата готова.

 

     Точно также готовим печатную плату для установки датчиков.

Затем собираем все платы робота на шасси с двигателями, устанавливаем кассету для аккумуляторов.

Общий вид робота

Робот изготовлен с применением следующих составных частей:

1.                  Покупные:

1.Шасси автомобиля с установленными двигателями с редукторами

2.Кассета для  4-х пальчиковых батареек.

3. Микроконтроллер Atmega8

4.Драйвер двигателей L293

2. Изготовленные в школе:

1. Плата с датчиками освещенности.

2.                  Монтажная плата робота                                                                                                                                                         

Робот передвигается с помощью двух электродвигателей постоянного  тока на 6 Вольт. Двигатель с редуктором 1:48 собраны в одном корпусе в единое целое. Робот  снабжен 5-ю датчиками, определяющими его положение относительно линии.

3.Итоговая. Собираем работ. Для этого берем за основу шасси игрушечного автомобиля с установленными двигателями с редукторами 1:48. Собираем датчики в линейку, выполним электрическое соединение всех составляющих робота. Строим площадку для робота, рисуем  черную линию шириной 50 мм  и испытываем робот в действии.

Заключение.

С учетом поставленной задачи израсходовано всего финансовых и материальных средств на  робота:

1.                  Шасси автомобиля с установленными двигателями – 1 шт. (610 руб.)

2.                  Хлорное железо – 100 гр.- 50 руб.

3.                  Транзисторы, резисторы, микросхемы, конденсаторы  в пределах  100 руб. (на два робота)

4.                  Микроконтроллер Atmega8 -120 руб.

5.                  Драйвер двигателей L293D – 80 руб.

Итого: 970 рублей, что для нас вполне приемлемая сумма.

Выводы: Тестирование данных роботов показала приемлемую работу  робота. В зависимости от отражающей способности рабочего стола иногда возникает необходимость механического регулирования расстояния от датчиков до рабочей площадки. Данная конструкция робота может быть  использована и для гонок по линии, для чего необходимо изменить прошивку микроконтроллера.

Литература:

1.http://robomir.ucoz.ru/

Каталог статьей - роботы, программирование, AVR микроконтроллеры

2. http://myrobot.ru

Роботы, робототехника, микроконтроллеры

3. http://radiomaster.com.ua/shema/page/2/