Файл: Разработка змееподобного робота.pdf

камерой робот способен передавать изображения окружающей местности.
Он выполняет команды, которые получает через расположенный в головном модуле управляющий центр. Одетый в оболочку робот может плавать. Его характеристики приведены в Таблице 2.6.
Таблица 3.6
Длина120 см
Диаметр
6 см
Вес
1,8 кг
Скорость передвижения
20 м/мин
В заключение обзора змеевидных роботов хотелось бы упомянуть о разработке Японского института мед оборудования 1986 года. В ней использован необычный привод для движения секций манипулятора длинной
25 см. Состоящий из 7 секций приводимых в движение приводами использующими эффект памяти форм манипулятор представлял одно из альтернативных направлений в разработке приводов. Однако в настоящее время уровень развития данной технологии до сих пор не позволяет создать змееподобных роботов.
2. Схема управления змеевидным роботом
Типичный змеевидный робот (ЗР) состоит из звеньев (минимальное количество звеньев необходимое для реализации движения 5), на каждом звене может быть размещено от 1 до 3 приводов, каждый из которых отвечает за свою степень свободы звена. Типовая схема ЗР приведена на
Рисунке 2.1.

Рис. 2.1 Типовая схема змеевидного робота
Так же необходимо наличие схемы управления которую обычно реализуют в виде двух ступенчатой системы: микроконтроллеров с программой управления приводами, размещённым на небольших платах и отвечающими за прием, обработку и отправку информации (на микроконтроллеры может приходить информация с датчиков обратных связей, сенсорных датчиков и т.д.) и платы управления верхнего уровня. Хотя возможен вариант и централизованного управления всеми приводами и обработки сенсорной информации с датчиков. В этом случае появляется необходимость в быстром канале связи и высоком быстродействии вычислительного комплекса.
В случае необходимости обеспечения автономности на змеевидном роботе размещают систему энергоснабжения.
3. Разработка системы управления для змеевидного робота -
«ЗМЕЕЛОК»
В конце 2004 году в ЦНИИ РТК началась разработка прототипа змееподобного робота «ЗМЕЕЛОК». Группе студентов под руководством
Телешева Н.С. было дано задние по созданию системы управления многозвенным исполнительным устройством с числом степеней

подвижности необходимых к управлению 5 и более.
Одним из требований разработчиков робота была способность системы управления отрабатывать воздействие в виде бегущей волны. Выполнение такого технического задания рассматривается в данной работе.
Для реализации подобных многозвенных систем используют электромеханические и пневматические приводы, металлы и пластики с памятью формы.
Для нашего решения был выбран электромеханический подход.
Который базируется на использование, с целью сокращения сроков разработки и минимизации затрат, стандартных сервоприводов реализованных в виде рулевых машинок которые используются в моделирование, а так же в системах локальной автоматики которые имеют структуру исполнительной системы.
Такая сервосистема отрабатывает позицию которая задаётся системой управления при помощи выдачи ШИМ сигнала. Данный вид управления называется позиционным.
В качестве исполнительных механизмов в каждом звене робота предполагалось использовать 2 сервопривода HS-81MG (Рисунок 6.1 Такие серводвигатели фирмы HiTec используются в качестве приводов в моделестроение. Они управляются за счёт подачи на вход ШИМ в диапазоне от 0.9 мс до 2.1 мс с частотой 50 Гц т.е. 20 мс (данные производителя).

Рис. 3.1 Общий вид сервопривода HS-81MG
Рис. 3.2 Общий вид сервопривода HS-81MG
Характеристики рулевой машинки приведены в Таблице 3.1.
Таблица 3.1
Момент - 4.8 / 6 В
2.6 / 3.0 кг/см
Скорость - 4.8 / 6 В
0.11 / 0.09 сек/60°
Размеры
29.8x12x29.6mm
Потребляемый ток
8.8mA/9.1mA
Вес
16,6 г

Управлять данным объектом возможно имея централизованную систему управления (Рисунок 3.2) в виде персонального компьютера или специализированного автономного аппаратно-програмного комплекса с соответствующими интерфейсами или распределенную систему (Рисунок 3.3).
Сравним эти конкурирующие варианты в соответствии с требованиями предъявляемыми разработчиками.
.1 Моноуправляющая система
Основная её особенность это отсутствие дополнительных контроллеров управляющих отдельными приводами (Рисунок 3.3). Но при реализации такой схемы (Рисунок 3.4) придётся протягивать множество проводов - связей от каждого привода (минимум 3 провода (питание и управляющий сигнал) от каждой рульмашинки и это в случае отсутствия обратной связи). Следует упомянуть, что в данной схеме управления при помощи ШИМ сам управляющий сигнал предаётся в аналоговом виде и как следствие в нём отсутствуют средства контроля ошибок. Этот параметр не является существенным в случае работы в лабораторных условиях однако при практическом применении (особенно в экстремальных условиях) будут возникать сильные помехи в управлении из-за помех в линии. Конечно возможна реализация управления при помощи цифрового сигнала, но это требует особых приводов, способных работать с таким управляющим сигналом, что существенно повышает затраты на разработку и в данном случае неприемлемо. Так же при такой схеме придётся использовать

специальную плату - адаптер для питания всех сервоприводов и конвертирования управляющего сигнала в требуемый ШИМ. Кроме того значительно усложнится создание программы управления так как надо будет учитывать особенности каждого конкретного привода и при необходимости замены сервопривода или необходимости добавления нескольких модулей придётся вносить значительные изменения в программу управления что не всегда удобно, а иногда и просто не возможно.
.2 Распределённая система
Её особенность наличие отдельных контролеров которые берут на себя функции преобразования управляющего сигнала в требуемый ШИМ (Рисунок
3.2). Это существенно упрощает реализацию программного обеспечения - позволяет разбить его на модули, а часть функций переложить на микроконтроллеры модулей робота, причём при увеличение числа звеньев
(микроконтроллеров) потребуется минимум изменений в программе управления. Если пойти далее по этому пути развития, то в результате можно подойти к разработке схемы схожей с природной - когда управляющая программа задаёт некое сложное движение, а распределённая сеть контроллеров преобразует и модифицирует с учётом конкретных условий управляющий сигнал в серию простых «рефлексов». Конечно этим не ограничиваются достоинства данной схемы, не стоит забывать и о том, что для подобной схемы необходимо подвести лишь одну шину данных к контроллеру
(достаточный минимум: два провода), а он уже в свою очередь раздаст необходимые указания каждому из подконтрольных ему приводов - это

позволит уменьшить число и протяженность кабелей которые будут протянуты тем самым обеспечивая больше гибкости и технологичности при создании робота и управляющей системы. Так же не надо забывать и о линии питании для машинок и контроллеров, но в сравнении с централизованным вариантом основной выигрыш достигается за счёт реализации обмена с каждым контроллером (который может в среднем контролировать до 3 машинок на каждом из портов, что в принципе позволяет одному микроконтроллеру управлять несколькими звеньями) через цифровой интерфейс. Эта особенность позволяет контролировать и проверять передаваемый сигнал на наличие ошибок. В зависимости от сложности протокола возможно даже частичное устранение появившихся ошибок, что так же позволяет сэкономить на времени повторной передачи и обработке информации. Такая схема существенно сокращает требования к вычислительным ресурсам верхнего уровня или даёт возможность переключить освободившиеся (по сравнению с моносхемой) на программу моделирования движения и прогнозирования конфигурации робота. Подводя итог хочется заметить, что тенденция перехода от аналогового управления к цифровому приобрела общемировой масштаб ещё десятилетие назад и необходимость использования распределённой системы управления с цифровым интерфейсом в данное время наиболее актуально, логично и технологично.
Для большей наглядности рассмотрим случай управления 30 координатами без обратной связи и датчиков и сведем в Таблицу 3.2 основные параметры для моносистемы и распределённой системы управления.

Таблица 3.2
Сравниваемый параметр
Моносистема
Распределённая система
Число связей которое необходимо протянуть между объектом управления и управляющим устройством без учёта линий питания
30 2 и более в зависимости от топологии схемы и модели микроконтроллера
Требования к вычислительной мощности верхнего уровня
Высокая
Низкая
Масштабируемость и модульность
Низкая
Высокая
Необходимость в установке контроллера на каждое звено
Нет
Да, возможна установка одного контроллера для нескольких звеньев
Помехозащищённость и отказоустойчивость
Низкая
Высокая
Как видно из таблицы сравнения для многозвенных роботов лучшим выбором станет распределённая система управления.

3.3 Интерфейсы передачи данных
Очевидно, что современной робототехнике для управления роботами требуется множество различных параметров. Их передача реализуется через различные интерфейсы передачи данных характеризующиеся различными скоростями передачи данных, типом передаваемой информации и способом её передачи.
В Таблица 3.3 представлены наиболее распространённые и часто встречающиеся в робототехнике и стандарты связи.
Таблица 3.3
Стандарт связи
Скорость передачи по стандарту (max)
Максимальная длина лини
Параллельный интерфейс (LPT)
9600 бит/с
2 м
Последовательный интерфейс RS-232С
(COM)
115200 бит/с
15 м
CAN и его разновидности
1 Мбит/с
Зависит от числа подключённых устройств
InfraRed
115200 бит/с
10 м
Bluetooth (802.15.1)
921,6 Кбит/с
10 - 100 м
WiFi (802.11 b/g)
11 / 54 Мбит/с
100 м
ZigBee (802.15.4)
250 Кбит/с
10 - 70 м
Как видно из таблицы среди проводных последовательных интерфейсов RS-232С самый медленный, однако в силу простоты реализации большой распространенности в мире его использование наиболее приемлимо для учебных моделей и прототипов на которых отрабатываются различные тестовые принципы и алгоритмы. Так как его поддержка реализована в 99% программных продуктов на уровне стандартных библиотек интерфейсов по разработке ПО для современных компьютеров, а

возможности которые предоставляет данный протокол связи позволяют контролировать наличие ошибок в линии, что достаточно для большинства схем. Конечно не стоит забывать и о параллельном интерфейсе однако он обладает существенными недостатками: прежде всего это очень низкая скорость передачи данных которая в некоторых случаях становится узким местом в реализации схемы, необходимость в прокладке большего числа кабелей по сравнению с последовательным интерфейсом передачи данных и малой длинной линии обусловленной очень низкой помехозащищённостью.
Всё это делает данный интерфейс неудобным в реализации и мало подходящим для создания связи между микроконтроллерами и управляющей схемой.
Среди беспроводных протоколов для целей управления простыми роботами наиболее подходящим является стандарт связи ZigBee в связи с малой потребляемой мощностью оборудования работающего по этому стандарту и его направленности на данный сектор задач.
3.5 Выбор микроконтроллера для управления змеевидным роботом
Следующий выбор который необходимо сделать - это выбор «спинного мозга» нашего робота т.е. микроконтроллера.
В данное время существует огромное количество различных семейств микроконтроллеров а также их разновидностей.

Все микроконтроллеры можно разделить по признаку разрядности, быстродействия, схемы организации памяти и количеству портов вводавывода.
Существуют четырех-, восьми-, шестнадцати- и даже сорока разрядные микроконтроллеры. Наибольшее распространение сегодня получили восьми разрядные микроконтроллеры их доля около 75% всего рынка микроконтроллеров. Их быстродействие зависит от внутренней структуры и частоты.
Важно выбрать подходящий по быстродействию и возможностям для конкретной задачи микроконтроллер.
В соответствии с техническим заданием задачи которые должен был решать локальный микроконтроллер установленный для управления рульмашинкой(ами) заключаются в следующем: принятие и обработка информации от верхнего уровня по последовательному интерфейсу, формирование необходимого управляющего сигнала и выдача его на рульмашинку(и). Причём система управления должна была справляться с отработкой движения типа бегущая волна, что диктовало необходимость реализации транслирования команды следующему контроллеру или одновременной обработки команды управления всеми микроконтроллерами.
Одним из самых распространённых семейств микроконтроллеров стало семейство MSC51. На базе этой архитектуры фирма Atmel создала целое семейство различных микропроцессоров которые различаются своими характеристиками и функциональными возможностями, что позволяет подобрать наиболее подходящую модель.

По перечисленым в техническом задание параметрам из доступных в настоящее время в России моделей отвечающих перечисленным требованиям и наиболее дешёвых была выбрана модель 8 битового микроконтроллера AT
90s2313 фирмы Atmel. Причины её выбора разъяснены в следующем пункте.
.6 Микроконтроллер AT90s2313 фирмы Atmel
В данном описании микроконтроллера будут опущенны некоторые разделы которые подробно описывают не существенные или не используемые элементы AT90S2313. В случае необходимости полное описание данного микроконтроллера можно найти по адресу [10].S2313 - экономичный 8 битовый КМОП микроконтроллер, построенный с использованием расширенной RISC архитектуры AVR. Исполняя по одной команде за период тактовой частоты, AT90S2313 имеет производительность около 1MIPS на МГц. (MIPS - миллион целочисленных операций в секунду).
В основе ядра AVR лежит расширенная RISC архитектура (Рисунок 5.1), объединяющая развитый набор команд и 32 регистра общего назначения. Все
32 регистра непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), что дает доступ к любым двум регистрам за один машинный цикл. Подобная архитектура обеспечивает десятикратный выигрыш в эффективности кода по сравнению с традиционными CISC микроконтроллерами.

Рис. 3.5
S2313 предлагает следующие возможности: 2кБ загружаемой флэш памяти; 128 байт EEPROM; 15 линий ввода / вывода общего назначения; 32 рабочих регистра; настраиваемые таймеры / счетчики с режимом совпадения; внешние и внутренние прерывания; программируемый универсальный последовательный порт; программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором; SPI последовательный порт для загрузки программ; два выбираемых программно режима низкого энергопотребления. Холостой режим (Idle Mode) отключает ЦПУ, оставляя в рабочем состоянии регистры, таймеры / счетчики, SPI порт и систему прерываний. Экономичный режим
(Power Down Mode) сохраняет содержимое регистров, но отключает генератор, запрещая функционирование всех встроенных устройств до внешнего прерывания или аппаратного сброса.
Микросхемы производятся с использованием технологии энергонезависимой памяти высокой плотности фирмы Atmel. Загружаемая флэш память на кристалле может быть перепрограммирована прямо в

системе через последовательный интерфейс SPI или доступным программатором энергонезависимой памяти. Объединяя на одном кристалле усовершенствованный 8-битовый RISC процессор с загружаемой флэш памятью, AT90S2313 является мощным микроконтроллером, который позволяет создавать достаточно гибкие и эффективные по стоимости устройства.S2313 поддерживается полной системой разработки включающей в себя макроассемблер, программный отладчик / симулятор, внутрисхемный эмулятор и отладочный комплект. Однако более продуктивно и удобно оказалось использовать некоторые продукты сторонних разработчиков (см список использованного программного обеспечения)
.8 Загружаемая память программ
S2313 содержит 2кБ загружаемой флэш памяти для хранения программ.
Поскольку все команды занимают одно 16-разрядное слово, флэш память организована как 1K 16-разрядных слов. Флэш-память выдерживает не менее
1000 циклов перезаписи. Программный счетчик имеет ширину 10 бит и таким образом адресуется к 1024 словам программной флэш-памяти.
.9 EEPROM память данных
S2313 содержит 128 байт электрически стираемой энергонезависимой памяти (EEPROM). EEPROM организована как отдельная область данных, каждый байт которой может быть прочитан и перезаписан. EEPROM выдерживает не менее 100000 циклов записи / стирания.