Σχεδιαστικές προδιαγραφές

Transcript

1 Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια, ένα σημαντικό πεδίο δράσης της επιστήμης της Ρομποτικής αφορά στον τομέα της ανάπτυξης και εξέλιξης αυτόνομων οχημάτων επίγειων, εναέριων, πλωτών, υποβρύχιων και διαστημικών. Οι σύγχρονες απαιτήσεις για ευέλικτα, αυτόνομα συστήματα, που θα υποβοηθούν ή θα αντικαθιστούν τον ανθρώπινο παράγοντα σε επικίνδυνες ή μη εφαρμογές, έχουν οδηγήσει στην εξέλιξη οχημάτων ικανών να εκτελούν δύσκολες αποστολές και να συμμετέχουν σε ποικιλία εφαρμογών. Παρουσιάζουμε τον Οδυσσέα, ένα ρομποτικό σύστημα ασφαλούς πειραματισμού με αντικείμενο την αυτόνομη επίγεια πλοήγηση σε εξωτερικούς χώρους. Η ανάπτυξη του οχήματος βασίστηκε σε ένα απλό ηλεκτροκίνητο παιδικό αμαξίδιο. Ο στόχος ήταν η μετατροπή του αμαξιδίου από χειροδηγούμενο όχημα σε αυτόνομης πλοήγησης, το οποίο θα είχε την ικανότητα να ακολουθεί προκαθορισμένες διαδρομές. Επιπλέον, να μπορεί να αποφεύγει εμπόδια, καθώς και κωλύματα με προκαθορισμένες μέγιστες και ελάχιστες διαστάσεις βάθους, ύψους και πλάτους.

2 Σχεδιαστικές προδιαγραφές Με την έναρξη αυτής της εργασίας θέσαμε κάποιους στόχους και προδιαγραφές τις οποίες θα έπρεπε να πετύχουμε μετά την ολοκλήρωση της εργασίας. Οι στόχοι που τέθηκαν ήταν οι εξής: Η δημιουργία ενός συστήματος αυτόνομης πλοήγησης το οποίο θα συνδυάζει ένα δέκτη GPS και μια ψηφιακή πυξίδα. Πιο συγκεκριμένα, από το GPS απαιτείτο να έχει μικρό σφάλμα στον υπολογισμό της θέσης. Δόθηκε μεγάλη σημασία στο να μπορεί το αμαξίδιο να ακλουθεί όσο το δυνατόν πιο πιστά την αρχική διαδρομή και να μην παρεκκλίνει από την επιθυμητή πορεία. Τη σχεδίαση ενός συστήματος ανίχνευση και αποφυγής εμποδίων, προκειμένου το αμαξίδιο να έχει την δυνατότητα να αποφεύγει τυχόν εμπόδια που συναντά κατά την διάρκεια της αυτόνομης πλοήγησης.. Ο Οδυσσέας καλείται να περνά εμπόδια τα οποία είναι αρκετά συμπαγή και ογκώδη, με αρκετά μεγάλες επιφάνειες, και όχι κάτι μικρό, όπως κάποιο κοντάρι ή λεπτό ξύλο Ο αρχικός σχεδιασμός για το ανάγλυφο στο οποίο επρόκειτο να κινείται το αμαξίδιο ήταν ήπιοι χωματόδρομοι. Πιο συγκεκριμένα, είχε τεθεί σαν στόχος το αμαξάκι να μπορεί να κινείται με σχετική άνεση σε χωματόδρομους με ψιλό χαλίκι και αρκετά φαρδείς, με την ύπαρξη, ενδεχομένως, κάποια χαμηλής βλάστησης. Λόγο της παραπάνω προδιαγραφής προέκυψε η ανάγκη σχεδιασμού ενός συστήματος το οποίο θα ανιχνεύει εδαφικές ανωμαλίας, όπως, μεγάλες πέτρες, κράσπεδα και χαντάκια. Η ενεργειακή αυτονομία του αμαξιδίου να φτάνει τα 45 λεπτά. Περιγραφή υλικών Τα βασικότερα υλικά που χρησιμοποιήσαμε ήταν: Όλες οι αποφάσεις για το πώς θα ενεργήσει το αμαξίδιο λαμβάνονται από το board Arduino UNO. Για τον εντοπισμό της γεωγραφικής θέσης, επιλέξαμε τον δέκτη gps EM- 406A. Η πυξίδα που επιλέξαμε ήταν η HMC6352 Τα αισθητήρια υπερήχων χρησιμοποιούνται από την εφαρμογή μας, προκειμένου να γίνεται ο εντοπισμός των εμποδίων. Τα αισθητήρια υπερήχων που επιλέξαμε ήταν τα HC-SR04 Για την δική μας εφαρμογή, χρειαστήκαμε δύο Servo. Το ένα Servo απαιτήθηκε για την περιστροφή του τιμονιού και ήταν το HS-5755 της Hitec,

3 το οποίο φτάνει σε ροπή και τα 25Kg/cm. Το δεύτερο Servo αφορά στην περιστροφή του αισθητηρίου υπερήχων και ήταν το MG995 της TowerPro με μέγιστη ροπή 15Kg/cm Τέλος, να αναφέρουμε ότι χρειαστήκαμε μια οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD) με δύο γραμμές και 16 στήλες και ένα πληκτρολόγιο με 16 κουμπιά. Περιγραφή συστημάτων Σύστημα υπολογισμού γεωγραφικής θέσης και προσανατολισμού. Ο ρόλος του συστήματος αυτού είναι ο υπολογισμός της κατεύθυνσης κίνησης. Ένα παράδειγμα υπολογισμού του τρόπου με τον οποίο υπολογίζεται η γωνία που πρέπει να στρίψει το αμαξίδιο για να κατευθυνθεί στο επιθυμητό σημείο (waypoint) φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Έστω ότι ο Οδυσσέας είναι το κόκκινο αμαξίδιο και βρίσκεται πάνω στη διασταύρωση. Τότε Χωρίζουμε όλη την επιφάνεια σε τέσσερα τεταρτημόρια, θεωρώντας το κέντρο του γεωγραφικού συστήματος το σημείο όπου βρισκόμαστε. Δηλαδή, πολύ απλά, μετατρέπουμε το απόλυτο σύστημα συντεταγμένων της γης σε σχετικό σύστημα συντεταγμένων. Σχηματίζουμε το ορθογώνιο τρίγωνο του οποίου η υποτείνουσα ενώνει το σημείο που βρισκόμαστε με το σημείο που θέλουμε να πάμε. Αυτή θα είναι και η διαδρομή που θα πρέπει να ακολουθήσουμε Πλευρά Α = τρέχον γεωγραφικό μήκος αποθηκευμένο γεωγραφικό μήκος Πλευρά Β = τρέχον γεωγραφικό πλάτος αποθηκευμένο γεωγραφικό πλάτος Η γωνία φ ισούται με: φ = tan 1 Α Β

4 Πλέον είναι πολύ εύκολο να τη γωνία που πρέπει να περιστραφεί το αμαξίδιο για να ευθυγραμμιστεί με το επιθυμητό σημείο, δηλαδή να «κοιτάει» το σημείο στο οποίο θα πρέπει να κατευθυνθεί και υπολογίζεται κάνοντας απλά μια αφαίρεση. γωνία περιστροφής = θ φ = θ tan 1 Α Β Σύστημα διεύθυνσης Σύστημα διεύθυνσης ονομάζουμε, το σύστημα το οποίο είναι υπεύθυνο για την περιστροφή του τιμονιού. Για την περιστροφή του τιμονιού χρησιμοποιούμε το Servo HS-5755 της Hitec. Για να έχουμε όσο το δυνατόν καλύτερα αποτελέσματα, αντί να εφαρμόζουμε την δύναμη στο κέντρο του άξονα του τιμονιού, όπως συνέβαινε με το τιμόνι που υπήρχε, επιλέξαμε να χρησιμοποιήσουμε ντίζες. Οι δύο ντίζες θα εφάρμοζαν στις άκρες του άξονα του τιμονιού. Έτσι όταν το Servo στρίβει αριστερά τραβάει την δεξιά ντίζα ενώ όταν στρίβει δεξιά τραβάει την αριστερή ντίζα. Έτσι κάθε φορά που στρίβει ο Servo αντί να σπρώχνει τον άξονα του τιμονιού τον τραβάει από το κοντινότερο σημείο περιστροφής των τροχών. Σύστημα αποφυγής εμποδίων για την υλοποίηση του συστήματος αποφυγής εμποδίων χρισημοποίησαμε ένα φθηνό ψηφιακό Servo, όπου πάνω στον άξονα περιστροφής του θα εφαρμόζαμε

5 το αισθητήριο (εικόνα ). Έτσι λοιπόν, περιστρέφουμε το Servo στην γωνία όπου θέλουμε να εξετάσουμε για την ύπαρξη εμποδίων και στην συνέχεια με το αισθητήριο παίρνουμε μια μέτρηση. Το ψηφιακό Servo που επιλέξαμε ήταν το MG995 της TowerPro Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί το σύστημα είναι να περιστρέφουμε κάθε φορά το Servo στην κατεύθυνση όπου είναι γυρισμένες οι ρόδες του αμαξιδίου και να παίρνουμε μετρήσεις σε τακτά χρονικά διαστήματα. Ο τρόπος που ενεργούμε σε περίπτωση που βρεθεί κάποιο εμπόδιο είναι: Ελέγχουμε αν το way-point βρίσκεται αριστερά ή δεξιά αυτής της γραμμής. Περιστρέφουμε το Servo σύμφωνα με την κατεύθυνση όπου βρέθηκε το waypoint από την παραπάνω διαδικασία, ελέγχουμε, και αν ο χώρος είναι ελεύθερος τότε περνάμε Αν και στην κατεύθυνση αυτή υπάρχει πάλι εμπόδιο τότε ελέγχουμε από την αντίθετη κατεύθυνση για την ύπαρξη εμποδίο υ και αν δεν υπάρχει αντικείμενο περνάμε.

6 Σε περίπτωση που και πάλι υπάρχει εμπόδιο τότε κάνουμε αρκετά πίσω, σταματάμε και επαναλαμβάνουμε τους παραπάνω ελέγχους μέχρις ούτε να υπάρξει ελεύθερος χώρος. Σύστημα αποφυγής εδαφικών ανωμαλιών Το σύστημα αυτό, αποτελείτε από δύο αισθητήρια υπερήχων HC-SR04 (κεφ ) τα οποία βρίσκονται τοποθετημένα στις δύο μπροστινές γωνίες του προφυλακτήρα του αμαξιδίου. Τα αισθητήρια βρίσκονται τοποθετημένα 10cm μπροστά από το αμαξίδιο. Εκεί συγκρατούνται χάρη στις βάσεις στηρίξεως που σχεδιάσαμε. Οι δύο αυτές βάσεις, είναι απλά δύο ατσάλινες βέργες διαμέτρου 3mm και μήκους 20cm. Όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα, Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί αυτό το σύστημα είναι αρκετά απλός. Η απόσταση μεταξύ των αισθητηρίων και επίπεδου εδάφους είναι συγκεκριμένη και ισούται με 35cm. Σε περίπτωση που από τα υπερηχητικά αποστασιόμετρα μετρηθεί απόσταση μεγαλύτερη των 35cm, τότε αυτό σημαίνει ότι υπάρχει λακκούβα την

7 οποία αδυνατεί το αμαξίδιο να περάσει. Το ίδιο ισχύει και στην αντίθετη περίπτωση, όταν δηλαδή, τα αποστασιόμετρα μετρήσουν απόσταση μικρότερη των 28cm. Τότε σημαίνει ότι υπάρχει κάποιο χαμηλό εμπόδιο, όπως ένα κράσπεδο πεζοδρομίου. Πιθανές μελλοντικές εφαρμογές του Οδυσσέα Αυτόνομη περιπολία φύλαξης Ανίχνευση και διάσωση τραυματισμένων και αγνοουμένων Ανίχνευση και συλλογή δεδομένων σε αντίξοο περιβάλλον (έρημος, ηφαιστειογενείς περιοχές, αρκτικό περιβάλλον). Διαπλανητική εξερεύνηση. Εύρεση και συλλογή θραυσμάτων μετεωριτών