Ανάπτυξη συστήματος αυτόνομης πλοήγησης και αποφυγής εμποδίων για ηλεκτροκίνητο αμαξίδιο

Ανάπτυξη συστήματος αυτόνομης πλοήγησης και αποφυγής εμποδίων για ηλεκτροκίνητο αμαξίδιο Autonomous navigation and object avoidance system development for a small electric car Επιβλέπων καθηγητής: Αστάρας Αλέξανδρος Φοιτητές: Arber Llenga, Κωνσταντίνος Πατσώνας

ii

Αφιερωμένο στις οικογένειες μας

Οι συγγραφείς διατηρούν όλα τα δικαιώματα της παρούσης εργασίας. Κανένα μέρος της εργασίας αυτής δεν επιτρέπεται να αναπαραχθεί ή να μεταδοθεί σε οποιαδήποτε μορφή ή με οποιοδήποτε μέσο, ηλεκτρονικό ή μηχανικό, συμπεριλαμβανομένης της φωτοαντιγραφής, ή από οποιαδήποτε σύστημα αποθήκευσης πληροφοριών ή σύστημα ανάκτησης, χωρίς προηγούμενη ρητή γραπτή άδεια τουλάχιστον ενός εκ των συγγραφέων, οι οποίοι κατέχουν τα πλήρη πνευματικά δικαιώματα. Εξαιρούνται περιπτώσεις χρήσης κειμένου της εργασίας για εκπαιδευτικούς μη κερδοσκοπικού χαρακτήρα σκοπούς, για τις οποίες οι συγγραφείς παραχωρούν το δικαίωμα δανεισμού μικρών τμημάτων κειμένου και μόνον εφόσον γίνει σωστή βιβλιογραφική ετεροαναφορά των αυθεντικών σχεδιαστών του συστήματος και συγγραφέων της εργασίας. Επικοινωνία: lengasandreas@hotmail.com ή patsokonos@hotmail.com 2011, Ανδρέας Λένγκας και Κωνσταντίνος Πατσώνας, Σίνδος, Θεσσαλονίκη, Ελλάδα. All rights reserved. No part of this work may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording, or by any information storage or retrieval system, without the prior written permission of the copyright owners, except for non-profit educational purposes in which the owners give the leading rights for pieces of work, and only if the owners are properly cited as the authentical designers of the system and the authors of the dissertation. Contact: lengasandreas@hotmail.com or patsokonos@hotmail.com 2011, Andreas Lengas and Konstantinos Patsonas, Sindos, Thessaloniki, Greece. iii

Abstract The goal of this project was the study, design and modification of a chidren s cart into an autonomous-navigating electric rover. The developed system is capable of recording multiple GPS waypoints, then following them while roaming in autonomous navigation mode. It features automated obstacle detection and avoidance, provided the obstacles be larger than pre-determined minimum dimensions. Its power autonomy is about 60 minutes using a small 12V battery. The system was built around the Arduino Uno control board, which uses the AVR ATmega328P microcontroller (Atmel, USA). While in autonomous roaming mode, the system inputs are a digital compass, a GPS receiver and 3 ultrasound transceivers for obstacle detection. The system outputs are voltage control of the DC motor and the servo motor used for steering. Operation of the rover is based on the following sub-systems: GPS waypoint recording autonomous navigation obstacle detection and avoidance steering control propulsion control The final product of the project is an experimental autonomous navigation platform codenamed ODYSSEUS. It was put through a series of evaluation tests, in order to determine its capabilities, weaknesses and optimum operation characteristics. As expected, from the point of view of speed and power autonomy, the best roaming terrain is smooth cement and tarmac. Even though the rover can reach a top speed of 8 klm/hr, optimal obstacle detection and avoidance suggest an upper speed limit of 5 klm/hr. i

Περίληψη Ο στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη, σχεδίαση και μετατροπή ενός ηλεκτροκίνητου αμαξιδίου από χειροδηγούμενο σε όχημα αυτόνομης πλοήγησης. Το σύστημα έχει τη δυνατότητα καταγραφής πολλαπλών γεωγραφικών στιγμάτων τα οποία εν συνεχεία το όχημα δύναται να ακολουθεί (waypoint tracking). Επιπλέον, το όχημα έχει τη δυνατότητα εντοπισμού και παράκαμψης εμποδίων και εδαφικών ανωμαλιών προκαθορισμένων διαστάσεων βάθους, ύψους και πλάτους. Η ενεργειακή αυτονομία του αγγίζει περίπου τα 60 λεπτά, χρησιμοποιώντας μπαταρία 12V μικρών διαστάσεων. Το σύστημα δομήθηκε γύρω από την πλακέτα ελέγχου Arduino Unoη οποία χρησιμοποιεί τον μικροελεγκτή AVR ATmega328P (Atmel, USA). Οι είσοδοι του συστήματος, κατά την λειτουργία αυτόνομης πλοήγησης προέρχονται από μια ψηφιακή πυξίδα, έναν δέκτη γεωγραφικού προσδιορισμού (GPS) και 3 αποστασιόμετρων υπερήχου. Οι έξοδοι του συστήματος είναι η τάση στον κινητήρα κύλισης και το σέρβο ελέγχου του συστήματος διεύθυνσης. Η λειτουργία του οχήματος βασίζεται στην ύπαρξη των παρακάτω υποσυστημάτων: καταγραφής γεωγραφικών στιγμάτων αυτόνομης πλοήγησης εντοπισμού και αποφυγής εμποδίων και εδαφικών ανωμαλιών ελέγχου διεύθυνσης ελέγχου κύλισης Το τελικό προϊόν του εγχειρήματος αυτού ονομάστηκε πειραματική πλατφόρμα αυτόνομης πλοήγησης «ΟΔΥΣΣΕΑΣ» και υποβλήθηκε σε σειρά πειραματισμών, προς εξακρίβωση των δυνατοτήτων, αδυναμιών και βέλτιστων χαρακτηριστικών λειτουργίας του. Όπως ήταν αναμενόμενο, η βέλτιστη λειτουργία από πλευράς ταχύτητας και ενεργειακής απόδοσης απαντάται κατά την κύλιση σε υπόστρωμα το οποίο ελαχιστοποιεί τις τριβές, όπως το τσιμέντο και η άσφαλτος. Αν και η ταχύτητα του ΟΔΥΣΣΕΑ μπορεί να φτάσει τα 8 χλμ/ώρα, για βέλτιστη αποφυγή εμποδίων δε θα πρέπει να ξεπερνά τα 5 χλμ/ώρα. i

Ευχαριστίες Ευχαριστούμε τον καθηγητή μας κ. Αλέξανδρο Αστάρα που μας έδωσε την δυνατότητα να υλοποιήσουμε την παρούσα εργασία χάρη στην εποικοδομητική και ουσιαστική του βοήθεια. Ευχαριστούμε την ιστοσελίδα freecycle Θεσσαλονίκης και συγκεκριμένα τον κ. Γιάννη Λαμπαδάρη για τη δωρεά του αμαξιδίου. Επίσης, ευχαριστούμε την φίλη μας Αφροδίτη Βαργιάμη για τη γραμματική και συντακτική υποστήριξη. Τέλος ευχαριστούμε από καρδίας τις οικογένειες μας που μας στήριξαν όλο αυτό το διάστημα. ii

Πίνακας περιεχομένων Abstract... i Περίληψη... i Ευχαριστίες... ii Πίνακας περιεχομένων... iii Επεξήγηση ακρωνύμων... i 1 Εισαγωγή... 1 1.1 Αυτόνομα συστήματα πλοήγησης... 1 1.2 Ανάλυση συστημάτων GPS... 2 1.2.1 Τρόπος υπολογισμού θέσης... 2 1.2.2 Πρωτόκολλα επικοινωνίας... 3 1.2.3 Γενικά χαρακτηριστικά των δεκτών GPS... 5 1.3 Ήχος... 6 1.3.1 Υπέρηχοι... 7 1.3.2 Φυσικά γνωρίσματα... 7 1.3.3 Εφαρμογές υπερήχων... 8 2 Σχεδιαστικές προδιαγραφές... 11 2.1 Προδιαγραφές και στόχοι που έχουν τεθεί... 11 2.1.1 Αποφυγή εμποδίων... 11 2.1.2 Ακρίβεια GPS... 12 2.1.3 Ανάγλυφο επιφάνειας κίνησης... 12 2.1.4 Ανίχνευση ανάγλυφου κωλύματος... 13 2.1.5 Ενεργειακή αυτονομία... 13 2.1.6 Κόστος κατασκευής... 13 2.2 Βήματα ανάπτυξης του συστήματος... 14 3 Περιγραφή υλικού... 17 3.1 Επιμέρους περιγραφή ηλεκτρομηχανικών εξαρτημάτων... 17 3.1.1 Πλακέτα μικροελεγκτή... 17 3.1.2 Δέκτης GPS... 18 3.1.3 Ψηφιακή πυξίδα... 19 3.1.4 Αισθητήριο υπερήχων... 21 3.1.5 Servo... 22 3.1.6 Οθόνη LCD και πληκτρολόγιο... 23 3.2 Επιμέρους περιγραφή συστημάτων... 24 3.2.1 Σύστημα υπολογισμού γεωγραφικής θέσης και προσανατολισμού... 25 3.2.2 Σύστημα διεύθυνσης... 30 3.2.3 Σύστημα οδήγησης DC κινητήρα... 33 iii

3.2.4 Σύστημα αποφυγής εμποδίων... 35 3.2.5 Σύστημα αποφυγής κωλυμάτων... 41 4 Περιγραφή λογισμικού... 45 4.1 Σχεδιασμός κώδικα σε επίπεδο διαγράμματος ροής... 45 4.2 Υλοποίηση πηγαίου κώδικα μικροελεγκτή... 47 5 Πειράματα ελέγχου λειτουργίας... 61 5.1 Μελέτη ταχύτητας κίνησης... 61 5.2 Μελέτη ακρίβειας γεωγραφικού στίγματος... 64 5.3 Μελέτη ακρίβειας υπολογιζόμενης κατεύθυνσης κίνησης... 67 5.4 Μελέτη ακρίβειας εντοπισμού θέσης εμποδίου... 69 5.5 Μελέτη διέλευσης περάσματος ανάμεσα από δύο εμπόδια... 75 5.6 Μελέτη ταχύτητας και επαναληψιμότητας για διαδρομή κλειστού βρόγχου80 5.7 Ολοκληρωμένη αξιολόγηση συστημάτων.... 86 5.8 Συμπεράσματα επίτευξη στόχων σχεδιαστικών προδιαγραφών... 94 6 Ματιά στο μέλλον: προτάσεις βελτίωσης.... 95 6.1 Προτεινόμενες βελτιώσεις... 95 6.2 Προβλέψεις μελλοντικών εφαρμογών... 96 6.3 Εξελίξεις στις εμπλεκόμενες τεχνολογίες... 97 Παραρτήματα... 101 Λίστα υλικών κατασκευής και αριθμών παραγγελίας τους... 101 Φύλλα δεδομένων αισθητηρίων και ηλεκτρονικών στοιχείων... 104 Γλωσσάρι... 110 Ευρετήρια... 111 Ευρετήριο εικόνων... 111 Ευρετήριο Εξισώσεων... 112 Ευρετήριο πινάκων... 112 Ευρετήριο διαγραμμάτων... 113 7 Βιβλιογραφία... 116 iv

Επεξήγηση ακρωνύμων BT Bluetooth DC Direct Current GPS Global Positioning System USB Universal Serial Bus PWM Pulse with modulation μe Microcontroller EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory RAM Random-access memory LCD Liquid crystal display PCB Printed circuit board RS232 Recommended Standard 232 NMEA National Marine Electronics Association i

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. Στην εργασία αυτή, 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 της παρούσας εργασίας 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. Η μελέτη και η σχεδίαση παρόμοιων συστημάτων λαμβάνει χώρα με ολοένα αυξανόμενους ρυθμούς τις τελευταίες δύο δεκαετίες και μάλιστα μεγάλες εταιρίες, όπως η Google (Google Inc, ΗΠΑ) και η Audi (Audi AG, Γερμανία) έχουν αναπτύξει οχήματα αυτόνομα οχήματα, τα λεγόμενα driveless cars, τα οποία κινούνται χωρίς την ανάγκη ανθρώπινης παρέμβασης. Τα ρομποτικά αυτά συστήματα έχουν φτάσει υψηλά επίπεδα αξιοπιστίας λειτουργίας, έτσι ώστε στην πολιτεία Νεβάδα των ΗΠΑ να έχει ήδη ψηφιστεί νόμος σύμφωνα με τον οποίο θα επιτρέπεται σε αυτοκίνητα που οδηγούν μόνα τους να κυκλοφορούν στο δρόμο από την 1 η Μαρτίου του 2012. 1.1 Αυτόνομα συστήματα πλοήγησης Ένα από τα βασικότερα προβλήματα στο χώρο των ρομποτικών συστημάτων είναι αυτό της αυτόνομης πλοήγησης, το οποίο περιλαμβάνει τη χαρτογράφηση του περιβάλλοντα χώρου, τον εντοπισμό της τρέχουσας θέσης μέσα στο χαρτογραφημένο περιβάλλον, το σχεδιασμό ασφαλούς διαδρομής μεταξύ των γεωγραφικών στιγμάτων αλλαγής πορείας, καθώς και τον έλεγχο την κίνησης για τη μετακίνηση του οχήματος/ρομπότ στο τελικό σημείο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί ο 1

αυτόματος πιλότος, ο οποίος είναι ένα μηχανικό, ηλεκτρικό ή υδραυλικό σύστημα, που χρησιμοποιείται για να καθοδηγήσει ένα όχημα χωρίς την ανθρώπινη παρέμβαση. Στην ίδια κατηγορία των συστημάτων γεωγραφικών πληροφοριών (Geographic Information Systems, GIS) εντάσσονται και τα δορυφορικά συστήματα εντοπισμού θέσης και πλοήγησης, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρύτατα τα τελευταία χρόνια σε ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως σε συστήματα πλοήγησης αυτοκινήτων, πλοίων και παροχής πρόσθετης πληροφόρησης σε ευφυή κινητά τηλέφωνα νέας γενιάς (smartphones). 1.2 Ανάλυση συστημάτων GPS Το GPS (Global Positioning System- Παγκόσμιο Σύστημα Θεσιθεσίας) είναι ένα παγκόσμιο σύστημα προσδιορισμού θέσης στην επιφάνεια του πλανήτη. Βασίζεται σε ένα "πλέγμα" εικοσιτεσσάρων δορυφόρων της Γης, στους οποίους υπάρχουν ειδικές συσκευές, οι οποίες ονομάζονται "πομποί GPS". Οι πομποί αυτοί παρέχουν ακριβείς πληροφορίες για τη θέση του δέκτη, το υψόμετρό του, την ταχύτητα και την κατεύθυνση της κίνησής του. Επίσης, σε συνδυασμό με ειδικό λογισμικό χαρτογράφησης, μπορούν να απεικονίσουν γραφικά τις πληροφορίες αυτές. Το σύστημα ξεκίνησε από το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ και ονομάστηκε "NAVSTAR GPS" (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System). Το δορυφορικό αυτό σύστημα ρυθμίζεται καθημερινά από τη Βάση Πολεμικής Αεροπορίας Σρίβερ (Schriever). 1.2.1 Τρόπος υπολογισμού θέσης Χρησιμοποιώντας τα σήματα που λαμβάνονται από τουλάχιστον τέσσερις ορατούς δορυφόρους, ένας δέκτης GPS είναι σε θέση να καθορίσει, με ακρίβεια μερικών μέτρων, την γεωγραφική του θέση. Ο τρόπος υπολογισμού της θέσης κατ αυτόν τον τρόπο καθίσταται απλός. Οι δορυφόροι εκπέμπουν εξατομικευμένα σήματα, που δείχνουν τον ακριβή χρόνο που το σήμα φεύγει από το δορυφόρο. Οι δέκτες GPS έχουν αποθηκευμένες στις μνήμες τους τις ακριβείς συντεταγμένες των τροχιών των δορυφόρων. Διαβάζοντας το εισερχόμενο σήμα, είναι σε θέση να αναγνωρίσουν από ποιον δορυφόρο εκπέμπεται, να προσδιορίσουν το χρόνο που 2

χρειάστηκε το σήμα για να φτάσει μέχρι αυτόν και, κατά συνέπεια, να υπολογίσουν την απόσταση που τον χωρίζει από το δορυφόρο. Εικόνα 1: Τρόπος υπολογισμού θέσης για συστήματα GPS (τριπλευρισμός) Συγκεκριμένα, ο υπολογισμός της θέσης ενός χρήστη που χρησιμοποιεί την απόστασή του από 4 δορυφόρους βασίζεται στη μέθοδο του τριπλευρισμού (trilateration). Η αρχή λειτουργίας αυτής της μεθόδου είναι η εξής: Αν από τρία σημεία με γνωστές συντεταγμένες μετρηθούν οι χωρικές αποστάσεις προς ένα νέο σημείο, το σημείο αυτό προκύπτει από την τομή τριών σφαιρών, οι οποίες έχουν κέντρα τα σημεία αυτά και ακτίνες τη μετρηθείσα απόσταση από το καθένα. Στην προκειμένη περίπτωση, το ρόλο των γνωστών σημείων παίζουν προφανώς οι θέσεις των δορυφόρων της κάθε χρονικής στιγμής μέτρησης. Θα μπορούσαν, επομένως, να αρκούν τρεις δορυφόροι, όμως, επειδή το χρονόμετρο του δέκτη παρουσιάζει σφάλμα ως προς τον χρόνο, χρειαζόμαστε μία ακόμη μέτρηση για να προσδιορίσουμε τη διάφορα των δύο ενδείξεων. Για παράδειγμα, ένα σφάλμα της τάξης των 10-6 δευτερολέπτων αντιστοιχεί σε σφάλμα 300 μέτρων. 1.2.2 Πρωτόκολλα επικοινωνίας Όπως η επικοινωνία κάθε εκπομπού - δέκτη έτσι και η επικοινωνία μεταξύ των δεκτών GPS και των προγραμματιζόμενων ελεγκτών (π.χ. μe, pc) βασίζεται σε κάποιους κανόνες συμφωνημένων και από τα δυο επικοινωνούντα μέρη που εξυπηρετούν την μεταξύ τους ανταλλαγή πληροφοριών. Το σύνολο αυτών των 3

κανόνων ονομάζεται πρωτόκολλο επικοινωνίας. Οι κανόνες αυτοί καθορίζουν τη μορφή, το χρόνο και τη σειρά μετάδοσης των πληροφοριών. Ο δέκτης EM-406A της USGlobalSat διαθέτει δύο πρωτόκολλα επικοινωνίας, το NMEA 0183 και το SiRF binary. Ο Οδυσσέας είναι εξοπλισμένος με αυτόν το δέκτη, ο οποίος χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο NMEA 1 0183. Το πρωτόκολλο αυτό είναι ευρέως διαδεδομένο και χρησιμοποιείται όχι μόνο από δέκτες GPS αλλά και από άλλες συσκευές, όπως βαθύμετρα, σόναρ, ανεμόμετρα, γυροσκοπικές πυξίδες, αυτόματους πιλότους (στα αεροσκάφη). Το NMEA 0183 χρησιμοποιεί ένα απλό ASCII σειριακό πρωτόκολλο επικοινωνίας, το οποίο ορίζει πως τα δεδομένα μεταδίδονται σε μορφή «προτάσεων» (sentences) από τον πομπό σε πολλούς δέκτες ταυτόχρονα. Η αποκωδικοποίηση των «προτάσεων» γίνεται σύμφωνα με κάποιους κανόνες: Κάθε πρόταση ξεκινάει με το σύμβολο του δολαρίου. Οι επόμενοι πέντε χαρακτήρες προσδιορίζουν τον εκπομπό (δύο χαρακτήρες) και τον τύπο του μηνύματος (τρεις χαρακτήρες). Όλα τα πεδία των δεδομένων που ακολουθούν είναι οριοθετημένα με κόμμα. Σε περίπτωση που δεν υπάρχουν διαθέσιμα δεδομένα, το αντίστοιχο πεδίο περιέχει NULL bytes (π.χ. στο «123, 456,» τα δεδομένα στο δεύτερο πεδίο δεν είναι διαθέσιμα). Ο πρώτος χαρακτήρας που ακολουθεί αμέσως μετά τον τελευταίο χαρακτήρα πεδίου δεδομένων είναι ένας αστερίσκος, αλλά περιλαμβάνεται μόνο εάν παρέχεται το checksum 2. Ο αστερίσκος ακολουθείται από ένα διψήφιο ψηφίο, που αντιπροσωπεύει έναν δεκαεξαδικό αριθμό. Το checksum είναι η λογική πράξη OR όλων των χαρακτήρων μεταξύ των $ και *. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές, το checksum είναι προαιρετικό για τις περισσότερες «προτάσεις» που εξάγονται από το GPS, αλλά είναι υποχρεωτικό για τις RMA, RMB, και RMC. <CR><LF> τέλος της πρότασης. 1 NMEA: National Marine Electronics Association 2 Ένα checksum ή hash είναι ένα σταθερό μεγέθους δεδομένο υπολογιζόμενο από ένα μπλοκ ψηφιακών δεδομένων με σκοπό την ανίχνευση τυχαίων σφαλμάτων που ενδέχεται να έχουν εισαχθεί κατά τη διάρκεια της μεταφοράς ή της αποθήκευσης. 4

Ακολουθεί ένα δείγμα «προτάσεων» που εξάγονται από έναν δέκτη GPS: $GPGGA,092750.000,5321.6802,N,00630.3372,W,1,8,1.03,61.7,M,55.2,M,,*76 $GPGSA,A,3,10,07,05,02,29,04,08,13,,,,,1.72,1.03,1.38*0A $GPGSV,3,1,11,10,63,137,17,07,61,098,15,05,59,290,20,08,54,157,30*70 $GPGSV,3,2,11,02,39,223,19,13,28,070,17,26,23,252,,04,14,186,14*79 $GPGSV,3,3,11,29,09,301,24,16,09,020,,36,,,*76 $GPRMC,092750.000,A,5321.6802,N,00630.3372,W,0.02,31.66,280511,,,A*43 $GPGGA,092751.000,5321.6802,N,00630.3371,W,1,8,1.03,61.7,M,55.3,M,,*75 $GPGSA,A,3,10,07,05,02,29,04,08,13,,,,,1.72,1.03,1.38*0A $GPGSV,3,1,11,10,63,137,17,07,61,098,15,05,59,290,20,08,54,157,30*70 $GPGSV,3,2,11,02,39,223,16,13,28,070,17,26,23,252,,04,14,186,15*77 $GPGSV,3,3,11,29,09,301,24,16,09,020,,36,,,*76 $GPRMC,092751.000,A,5321.6802,N,00630.3371,W,0.06,31.66,280511,,,A*45 1.2.3 Γενικά χαρακτηριστικά των δεκτών GPS Στην επιλογή ενός δέκτη GPS, σημαντικό ρόλο παίζουν τα τεχνικά τους χαρακτηριστικά. Όσο αυξάνουν οι απαιτήσεις για ειδικές λειτουργίες ή καλύτερα υλικά κατασκευής, τόσο αυξάνεται και η τιμή του δέκτη. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό αποτελεί ο μέγιστος αριθμός των παράλληλων καναλιών λήψης, δηλαδή, ο μέγιστος αριθμός των δορυφόρων από τους οποίους μπορεί να αντλήσει πληροφορίες. Άλλο ένα χαρακτηριστικό είναι η ευαισθησία (sensitivity) στη λήψη του εκπεμπόμενου σήματος. Μεγάλη ευαισθησία, ουσιαστικά, σημαίνει μικρότερο γεωγραφικό σφάλμα, καθώς το GPS λαμβάνει ακόμα και τα εξασθενημένα σήματα. Αυτό, κατ επέκταση, σημαίνει γρηγορότερη ανανέωση σήματος. Το σημαντικότερο χαρακτηριστικό ενός δέκτη GPS είναι η ακρίβεια της γεωγραφικής του θέσης. Στους περισσότερους δέκτες, η ακρίβεια ανέρχεται στα 10 μέτρα. Με την ενεργοποίηση, όμως, του συστήματος WAAS (για Αμερική) ή του συστήματος EGNOS (για την Ευρώπη), η ακρίβεια περιορίζεται στα 5 μέτρα. 5

Ορισμένα επιπλέον χαρακτηριστικά: Ο χρόνος που απαιτείται για να «κλειδώσει» το σήμα ενός δέκτη (TTFF - Time To First Fix). Το πρωτόκολλο επικοινωνίας (π.χ. NMEA 0183, NMEA 2000, SiRF binary κλπ). Η ύπαρξη ενσωματωμένου SuperCap, το οποίο διατηρεί στοιχεία του συστήματος και βοηθάει στη γρήγορη επανασύνδεση δέκτη δορυφόρου. Η κατανάλωση ενέργειας. Οι οριακές θερμοκρασίες λειτουργίας και Διαστάσεις και βάρος 1.3 Ήχος Οι μεταβολές της πίεσης του αέρα ή άλλων μέσων, όπως των στερεών και των υγρών, διεγείρουν τα αισθητήρια όργανα της ακοής, διεγείροντας στον ανθρώπινο εγκέφαλο το αίσθημα της ακοής. Η διάδοσή της ενέργειας πραγματοποιείται με τη μορφή ηχητικών κυμάτων. Για τη μετάδοση των κυμάτων, είναι απαραίτητη η ύπαρξη κάποιου υλικού μέσου μεταξύ πομπού και δέκτη. Το μέσο μπορεί να βρίσκεται σε οποιαδήποτε κατάσταση ύλης (στερεό, υγρό ή αέριο), καθώς ο ήχος δεν διαδίδεται στο απόλυτο κενό. Εικόνα 2: Φάσμα ηχητικών συχνοτήτων Στον άνθρωπο,. η ακοή εκτείνεται για ήχους με συχνότητα μεταξύ 20 Hz και 20.000 Hz. Ήχοι με συχνότητα κάτω ή άνω των ορίων αυτών ονομάζονται υπόηχοι ή υπέρηχοι αντιστοίχως και δεν γίνονται αντιληπτοί από το ανθρώπινο αυτί. Ο υπέρηχος είναι μια μορφή ενέργειας, η οποία αποτελείται από μηχανικές ταλαντώσεις μεταξύ των μορίων του υλικού μέσα στο οποίο μεταδίδεται το ακουστικό κύμα. Οι συχνότητες των υπερήχων είναι εξ ορισμού υψηλότερες από το εύρος της ανθρώπινης αντιληπτικής ικανότητας. Το κατώτατο όριο του φάσματος των 6

υπερήχων είναι περίπου 20kHz. Στις περισσότερες διαγνωστικές εφαρμογές ιατρικής φύσης, χρησιμοποιούνται συχνότητες στο εύρος των 1-15MHz. 1.3.1 Υπέρηχοι Ο υπέρηχος είναι μια μορφή ενέργειας, η οποία αποτελείται από μηχανικές ταλαντώσεις μεταξύ των μορίων του υλικού μέσα στο οποίο μεταδίδεται το ακουστικό κύμα. Οι συχνότητες των υπερήχων είναι εξ ορισμού υψηλότερες από το εύρος της ανθρώπινης αντιληπτικής ικανότητας. Το κατώτατο όριο του φάσματος των υπερήχων είναι περίπου 20kHz. Στις περισσότερες διαγνωστικές εφαρμογές ιατρικής φύσης, χρησιμοποιούνται συχνότητες στο εύρος των 1-15MHz. Η ενέργεια των υπερήχων διαδίδεται στο μέσο (αέρας, νερό κτλ) με τη μορφή διαμηκών κυμάτων. Τα σωματίδια από τα οποία αποτελείται το μέσο διάδοσης, ταλαντώνονται γύρω από τη θέση ισορροπίας τους και η ενέργεια διαδίδεται σε παράλληλη διεύθυνση με αυτή των ταλαντώσεων, χωρίς να υπάρχει μεταφορά ύλης σωματιδίων. 1.3.2 Φυσικά γνωρίσματα Ένα ηχητικό κύμα χαρακτηρίζεται από φυσικές ιδιότητες, όπως συχνότητα, περίοδος, μήκος κύματος, πλάτος ταλάντωσης, χρόνος και κυματομορφή. Από αυτές τις ιδιότητες πηγάζουν τέσσερα χαρακτηριστικά που αποσκοπούν στην περιγραφή ενός ήχου από μουσικοακουστική προσέγγιση και είναι τα εξής: ύψος, ένταση, διάρκεια και χροιά. Τα κύρια χαρακτηριστικά του ήχου καθορισμένης τονικότητας είναι: Η συχνότητα. Είναι ο αριθμός των παλινδρομικών δονήσεων που δημιουργεί ο εκπομπός στα μόρια του αέρα ανά δευτερόλεπτο. Μονάδα μέτρησης είναι το Hertz. Η ένταση. Ως ένταση αποκαλείται το πόσο ισχυρή ή ασθενής είναι η ταλάντωση ενός σώματος. Πλατύτερες ταλαντώσεις επιφέρουν ηχητικά κύματα με μεγαλύτερη ένταση. Η διάρκεια. Ορίζει το συνολικό χρόνο για τον οποίο ένας ήχος γίνεται αντιληπτός. Αξίζει να σημειωθεί πως ήχος ακαθόριστης τονικότητας (μείγμα συχνοτήτων) είναι γνωστός ως θόρυβος και δεν αφορά τη λειτουργία των συστημάτων μέτρησης απόστασης και αποφυγής εμποδίων του αμαξιδίου ΟΔΥΣΣΕΑΣ. 7

1.3.3 Εφαρμογές υπερήχων Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογία στο χώρο των υπερήχων έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη εργαλείων και μηχανημάτων στο χώρο της ιατρική, της βιομηχανίας και της επιστήμης. Μια από τις σημαντικότερες εφαρμογές των υπερήχων στο χώρο της ιατρικής είναι η απεικονιστική μέθοδος, που παράγει εικόνες μερών του ανθρωπίνου σώματος χρησιμοποιώντας τους υπερήχους, δηλαδή το υπερηχογράφημα. Ο υπερηχογράφος είναι εξοπλισμένος με έναν κεντρικό ηλεκτρονικό υπολογιστή, ο οποίος λαμβάνει σήματα από έναν πομποδέκτη, τα επεξεργάζεται και τα μετατρέπει σε εικόνες. Επίσης, εστιασμένοι παλμοί υπερήχων υψηλής ενέργειας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το σπάσιμο λίθων, όπως πέτρας στα νεφρά και στη χολή. Οι πέτρες μπορούν να διασπαστούν σε τεμάχια τόσο μικρά που μπορούν να αποβληθούν από τον οργανισμό. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως λιθοτριψία. Άλλες εφαρμογές των υπερήχων στον χώρο της ιατρικής: Για τη θεραπεία του καταρράκτη με φακοτριψία. Για την τόνωση της ανάπτυξης των οστών. Για την ενίσχυση της αποτελεσματικότητας των αντιβιοτικών στην εξάλειψη βακτηριδίων. Σε ψαλίδι υπερήχων. Στο χώρο της βιομηχανίας χρησιμοποιούνται υπέρηχοι συχνοτήτων 2 με 10MHz για τη μέτρηση του πάχους μετάλλων και τον προσδιορισμό ελαττωματικών υλικών. Χαμηλότερες συχνότητες υπερήχων (50 500kΗz) χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο λιγότερων πυκνών υλικών, όπως ξύλο, σκυρόδεμα και τσιμέντο. Επίσης, οι υπέρηχοι χρησιμοποιούνται για την παραγωγή θερμότητας μέσω τριβής, για χρήση στη συγκόλληση πλαστικών. Άλλες εφαρμογές των υπερήχων στον χώρο της βιομηχανίας: Διευκόλυνση της μεταφοράς θερμότητας σε υγρά, για την ενίσχυση της παραγωγή της αιθανόλης. Βοήθεια στη δημιουργία αντικείμενων, όπως κοσμήματα, ρολόγια, χειρουργικά εργαλεία, οδοντιατρικά όργανα και βιομηχανικά εξαρτήματα. 8

Στο χώρο της επιστήμης, η χρήση των υπερήχων έχει βοηθήσει στην ακριβή μέτρηση αποστάσεων, όπως, για παράδειγμα, στην τοπογραφία, στον καθορισμό της εστίασης στις φωτογραφικές μηχανές και στα ηχοεντοπιστικά συστήματα sonar 3. 3 Τα ηχοεντοπιστικά συστήματα sonar (sound navigation and ranging) είναι ηλεκτροακουστικές συσκευές που εκμεταλλεύονται τη διάδοση των κυμάτων ηχητικής ενέργειας μέσα στη θαλάσσια μάζα και σκοπός τους είναι ο εντοπισμός/ανίχνευση, αναγνώριση/ταξινόμηση και παρακολούθηση υποβρυχίων σκαφών και διαφόρων αντικειμένων. 9

2 Σχεδιαστικές προδιαγραφές Σε αυτό το κεφάλαιο, αναφέρονται οι στόχοι της πτυχιακής εργασίας και οι προδιαγραφές που αρχικά είχαν τεθεί, κατά τo στάδιο προετοιμασίας και μελέτης. Πιο συγκεκριμένα, θα αναφέρουμε τις προδιαγραφές που είχαν τεθεί για το συνολικό σύστημα αλλά και για κάθε επιμέρους τμήμα του. 2.1 Προδιαγραφές και στόχοι που έχουν τεθεί Οι βασικότεροι στόχοι που είχαν τεθεί, κατά την έναρξη της εργασίας, ήταν η μετατροπή ενός παιδικού ηλεκτρικού αμαξιδίου σε όχημα με ενεργειακή αυτονομία και αυτονομία πλοήγησης σε εξωτερικούς χώρους. Το τροποποιημένο όχημα θα έπρεπε να μπορεί να κινείται σε ήπιας τραχύτητας χωματόδρομο, καθοδηγούμενο από σύστημα εντοπισμού γεωγραφικής θέσης GPS. Επιπλέον, το όχημα θα έπρεπε να είναι εφοδιασμένο με κάποια επιπλέον συστήματα, όπως σύστημα αποφυγής εμποδίων και κωλυμάτων. Στα κεφάλαια που ακολουθούν, δίνονται αναλυτικότερα οι προδιαγραφές και οι στόχοι που είχαν τεθεί για το κάθε σύστημα ξεχωριστά. 2.1.1 Αποφυγή εμποδίων Το επιδιωκόμενο αποτέλεσμα, κατά τη σχεδίαση του συστήματος αποφυγής εμποδίων, ήταν ένα σύστημα το οποίο θα είχε τη δυνατότητα να ανιχνεύει εγκαίρως συγκεκριμένου τύπου εμπόδια και να κατευθύνει το αμαξίδιο έτσι, ώστε να αποφεύγει το εμπόδιο με οποιοδήποτε τρόπο. Επιπλέον, στόχος ήταν να κρατηθεί το κόστος του συγκεκριμένου συστήματος αρκετά χαμηλό. Με γνώμονα τα άνωθεν, προέκυψαν οι παρακάτω προδιαγραφές: Σχετικά με το σύστημα αποφυγής εμποδίων, έπρεπε το όχημα να έχει τη δυνατότητα να περνάει μικρά εμπόδια που θα βρίσκονταν μπροστά του. Πιο συγκεκριμένα, το αμαξάκι καλείται να προσπερνάει ακίνητα εμπόδια, που βρίσκονται στην κατεύθυνση της κίνησής του. Το αμαξίδιο πρέπει απλά να παρακάμψει το εμπόδιο με οποιοδήποτε τρόπο, χωρίς να ζητείται η βέλτιστη λύση ή ο ελάχιστος χρόνος. 11

Το εμπόδιο θα πρέπει να είναι αρκετά συμπαγές και ογκώδες, με αρκετά μεγάλες επιφάνειες, και όχι κάτι μικρό, όπως κάποιο κοντάρι ή λεπτό ξύλο. Το εμπόδιο ανιχνεύεται σε απόσταση μικρότερη των 5 μέτρων και με ακρίβεια μερικών εκατοστών. Έτσι, λοιπόν, ένα παράδειγμα αποδεκτού εμποδίου είναι ένας άνθρωπος ο οποίος στέκεται μπροστά από τα αμαξίδιο σε απόσταση τεσσάρων μέτρων, ενώ, αντίθετα, ένα μικρό κολωνάκι δεν θα μπορεί να ανιχνευτεί σαν εμπόδιο. Το σύστημα αποφυγής εμποδίων έχει σαν στόχο την αποφυγή το πολύ δύο συνεχόμενων εμποδίων ή την αποφυγή εμποδίου το οποίο καλύπτει όλο το φάσμα κίνησής του. Σε καμία περίπτωση το σύστημα αυτό δεν μπορεί να προσπελάσει πολλά μπλεγμένα μεταξύ τους εμπόδια. Δεν απαιτείται, για παράδειγμα, από το σύστημα αποφυγής εμποδίων να βρει το μεγαλύτερο άνοιγμα μεταξύ πολλών εμποδίων και να υπολογίσει αν χωράει να περάσει ή όχι το αμαξίδιο. 2.1.2 Ακρίβεια GPS Το σύστημα εντοπισμού γεωγραφικής θέσης ή αλλιώς GPS αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα συστήματα. Για τον λόγο αυτό, οι προδιαγραφές υπήρξαν αρκετά αυστηρές. 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. Επιπλέον, βαρύτητα δόθηκε και στον χρόνο που χρειάζεται το GPS για να κάνει ανανέωση των πληροφοριών του. Μια συχνότητα ανανέωσης περί του ενός Hertz θεωρήθηκε επαρκής. Επίσης, μια ακόμη απαίτηση για το GPS ήταν ο εύκολος τρόπος συνδεσμολογίας και επικοινωνίας του με τον μικροελεγκτή. Αντίθετα, ο όγκος και η κατανάλωση ενέργειας δεν μας απασχόλησαν. Και σε αυτή την περίπτωση, το κόστος ήταν μια σημαντική παράμετρος. 2.1.3 Ανάγλυφο επιφάνειας κίνησης 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 12

και αρκετά φαρδείς, με την ύπαρξη, ενδεχομένως, κάποια χαμηλής βλάστησης. Σε καμία περίπτωση το αμαξίδιο δεν σχεδιάστηκε για να κινείται σε κακοτράχαλους δρόμους ή και εκτός δρόμου. Αυτός ήταν και ο λόγος που επιλέχθηκε ένα αμαξίδιο τέτοιων διαστάσεων και όχι κάποιο μικρό αμαξάκι μοντελισμού. Με την επιλογή ενός σχετικά μεγάλων διαστάσεων αμαξιδίου, θα είχαμε το πλεονέκτημα μεγάλων τροχών, και άρα τη δυνατότητα κίνησής του σε χώμα. 2.1.4 Ανίχνευση ανάγλυφου κωλύματος Όπως αναφέρθηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο, επειδή το αμαξίδιο επρόκειτο να κινείται σε χωματόδρομο, ο οποίος θα διαθέτει λακκούβες και, ίσως, χαντάκια ή μεγάλες πέτρες, τέθηκε ως στόχος ο σχεδιασμός ενός συστήματος το οποίο θα αποφεύγει τέτοιες είδους κωλύματα. Έτσι, λοιπόν, κατά την υλοποίηση του συστήματος για την ανίχνευση ανάγλυφου κωλύματος, τέθηκαν σαν στόχοι η έγκαιρη ανίχνευση ανωμαλιών, οι οποίες είναι ικανές να διακόψουν την ομαλή λειτουργία του συστήματος ή και ακόμα να προκαλέσουν κάποια βλάβη στο ίδιο το αμαξίδιο. Επομένως, από αυτό το σύστημα απαιτείται η έγκαιρη ανίχνευση χαντακιών ή λακκουβών πάνω από ένα επιτρεπτό όριο. Επιπλέον, απαιτείται και η ανίχνευση εξογκωμάτων, κρασπέδων ή πετρών σε αποδεκτή απόσταση, ώστε να διασφαλίζεται η έγκαιρη ακινητοποίηση του οχήματος. 2.1.5 Ενεργειακή αυτονομία Η βασικότερη προδιαγραφή για την ενεργειακή αυτονομία του ηλεκτροκίνητου αμαξιδίου ήταν να υπάρχει η δυνατότητα να λειτουργεί για τουλάχιστον είκοσι λεπτά της ώρας, κάτω από τις δυσμενέστερες συνθήκες εδάφους για τις οποίες σχεδιάστηκε, όπως για παράδειγμα ελαφρώς αμμώδεις επιφάνειες ή έδαφος με μερική επικάλυψη βλάστησης. Η ενεργειακή αυτονομία σε σχετικά λείο οδόστρωμα (π.χ. άσφαλτο) θα πρέπει να μπορεί να ξεπερνά τα 50 λεπτά της ώρας. 2.1.6 Κόστος κατασκευής 13

Όπως σε κάθε κατασκευή, έτσι και στην περίπτωση του Οδυσσέα, δεν μπορούσε το κόστος της να μην είναι ένας σημαντικός παράγοντας. Επομένως, το κόστος των υλικών για την μετατροπή του αμαξιδίου έπρεπε να κρατηθεί όσο το δυνατόν χαμηλότερο, γεγονός το οποίο μας οδήγησε στην ενσωμάτωση επαναχρησιμοποιούμενου και ανακυκλώσιμου υλικού, όπου αυτό κατέστη εφικτό δεδομένων των χρονικών πιέσεων του ακαδημαϊκού έτους. Μέρος της σχεδιαστικής και κατασκευαστικής πρόκλησης, από την άλλη μεριά, ήταν το βέλτιστο δυνατό αποτέλεσμα δεδομένων των χρονικών και οικονομικών περιορισμών. 2.2 Βήματα ανάπτυξης του συστήματος Κατά τη διάρκεια της προ μελέτης της πτυχιακής εργασίας, είχαν προγραμματιστεί τα παρακάτω βήματα: 1. Σχεδιασμός, κατασκευή και έλεγχος ολοκληρωμένου συστήματος πλοήγησης. 2. Σχεδιασμός, κατασκευή και έλεγχος συστήματος διεύθυνσης. 3. Σχεδιασμός, κατασκευή και έλεγχος συστήματος ελέγχου DC κινητήρα. 4. Σχεδιασμός, κατασκευή και έλεγχος συστήματος αποφυγής εμποδίων. 5. Συναρμολόγηση, έλεγχος και πειραματισμοί με το ολοκληρωμένο αμαξίδιο. Πρώτος στόχος της εργασίας μας ήταν να κατασκευάσουμε το σύστημα πλοήγησης. Επειδή το σύστημα αυτό είναι από τα βασικότερα συστήματα και είναι αρκετά σύνθετο, καθώς για την λειτουργία του εμπλέκονται δύο συσκευές (GPS και ψηφιακή πυξίδα), χρειάστηκαν κάποια επιμέρους βήματα για την ολοκλήρωση του. Σε πρώτη φάση, έπρεπε να συνδέσουμε το GPS στο μικροελεγκτή και να γίνει η εξαγωγή του γεωγραφικού στίγματος. Στην συνέχεια, έπρεπε να υπάρχει η δυνατότητα με το πάτημα ενός κουμπιού να μπορεί να αποθηκευτεί το τρέχον στίγμα (δημιουργία way-point), προκειμένου να ορισθεί ένα μέρος από την επιθυμητή διαδρομή που θα πρέπει να ακολουθήσει αργότερα το αμαξίδιο. Άρα, με το πάτημα του κουμπιού, δημιουργείται ένα way-point, το οποίο αποτελεί ένα σημείο της διαδρομής. Αν ενώσουμε κάθε way-point με το επόμενο με μια ευθεία γραμμή, τότε ορίζεται η διαδρομή που θα πρέπει να ακολουθήσει το αμαξίδιο. Έπειτα, έπρεπε να γίνει η σύνδεση της ψηφιακής πυξίδας και η εξαγωγή των δεδομένων από αυτή. 14

Αφού ολοκληρώθηκε και αυτό το στάδιο, το επόμενο βήμα ήταν η συνεργασία των δύο προαναφερθεισών συσκευών και η εύρεση μιας κατεύθυνσης που έπρεπε να ακολουθηθεί για να φτάσουμε σε κάθε επιθυμητό σημείο, με βάση τα δεδομένα των δύο συσκευών. Ο υπολογισμός αυτής την κατεύθυνσης αφορά στη γωνία που έπρεπε να περιστραφούμε, προκειμένου να βρεθούμε στην ευθεία του σημείου (way-point) προς το οποίο έπρεπε να κινηθούμε. Η ολοκλήρωση του αλγορίθμου για την εύρεση αυτής της γωνίας αποτέλεσε και την ολοκλήρωση του πρώτου βήματος. Περισσότερες λεπτομέρειες στο κεφάλαιο 3.2.1 Το δεύτερο βήμα, που αφορά στην κατασκευή του συστήματος διεύθυνσης, έχει να κάνει με την κατασκευή του τιμονιού. Το τιμόνι, με την βοήθεια ενός ψηφιακού servo, θα πρέπει να στρίβει σύμφωνα με την γωνία που υπολογίστηκε από την παραπάνω διαδικασία. Αυτό το βήμα περιελάμβανε και την εξ ολοκλήρου κατασκευή της βάσης στήριξης του servo. Περισσότερες λεπτομέρειες στο κεφάλαιο 3.2.2 Επόμενο βήμα ήταν η κατασκευή του κυκλώματος ελέγχου του DC κινητήρα. Το κύκλωμα αυτό ήταν μια ιδιόμορφη H-bridge για έλεγχο του κινητήρα και στα τέσσερα τεταρτημόρια. Περισσότερες λεπτομέρειες στο κεφάλαιο 3.2.3 Έπειτα και από την ολοκλήρωση του τρίτου βήματος, το αμαξίδιο ήταν σε θέση να ακολουθεί επιτυχώς τη διαδρομή που προηγουμένως είχε ορίσει ο χρήστης με την αποθήκευση των επιθυμητών way-points. Το αμαξίδιο ολοκλήρωνε σωστά την αυτόνομη πλοήγησή του, με βάση το γεωγραφικό προσδιορισμό, χωρίς, όμως, να είναι ακόμα σε θέση να αποφεύγει εμπόδια ή κωλύματα. Το τέταρτο βήμα αφορούσε στην ανάπτυξη του συστήματος ανίχνευσης εμποδίων και του συστήματος εντοπισμού κωλυμάτων και στη δυνατότητα αποφυγής των. Και τα δύο αυτά συστήματα θα έπρεπε να είναι αρκετά απλά, ώστε να μην απασχολούν τον μικροελεγκτή από την κύρια ασχολία του, αλλά να είναι,ταυτόχρονα, αποδοτικά. Περισσότερες πληροφορίες στα κεφάλαια 3.2.4 και 3.2.5 Μετά το πέρας και των πέντε βημάτων, έπρεπε να γίνουν πολλές δοκιμές και προσπάθειες για να βρεθεί ο βέλτιστος τρόπος λειτουργίας, όπου όλα τα συστήματα 15

θα απέδιδαν όσο το δυνατόν καλύτερα και χωρίς η λειτουργία του ενός να διαταράσσει τη λειτουργία κάποιου άλλου. 16

3 Περιγραφή υλικού Στο κεφάλαιο αυτό, θα αναφερθεί το υλικό κομμάτι της εργασίας που πραγματοποιήθηκε. Λόγω των αρκετών υλικών τμημάτων που απαιτήθηκαν για την αποπεράτωση της εργασίας, θεωρήθηκε σκόπιμο να γίνει ο διαχωρισμός του κεφαλαίου σε δυο θεματικές ενότητες-υποκεφάλαια. Στην πρώτη θεματική ενότητα (υποκεφάλαιο 3.1), γίνεται η περιγραφή κάθε ηλεκτρονικού και μηχανικού εξαρτήματος ξεχωριστά. Δίνονται μερικά βασικά χαρακτηριστικά και ιδιότητες των εξαρτημάτων. Στη δεύτερη θεματική ενότητα (υποκεφάλαιο 3.2) γίνεται ανάλυση των συστημάτων, τα οποία εξασφαλίζουν το επιθυμητό τελικό αποτέλεσμα. 3.1 Επιμέρους περιγραφή ηλεκτρομηχανικών εξαρτημάτων Όπως φανερώνει και ο τίτλος του υποκεφαλαίου, εδώ θα αναλύσουμε τα σημαντικότερα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται από το αμαξίδιο για την εύρυθμη λειτουργία του. Με τον όρο «εξαρτήματα», περιγράφουμε οποιοδήποτε ηλεκτρονικό ή μηχανικό στοιχείο. Επιπλέον, γίνεται αναφορά στα βασικά χαρακτηριστικά και στις ιδιότητές τους και θα δοθούν οι εικόνες κυκλωμάτων και ο τρόπος σύνδεσής των. 3.1.1 Πλακέτα μικροελεγκτή Όλες οι αποφάσεις για το πώς θα ενεργήσει το αμαξίδιο λαμβάνονται από τον microcontroller (μe) της οικογένειας AVR και, συγκεκριμένα, τον ATmega328 της Atmel, ο οποίος αποτελεί το «μυαλό» της κατασκευής. Ο ελεγκτής αυτός βρίσκεται πάνω σε μια πλακέτα, που ονομάζεται Arduino Uno. Η πλακέτα αυτή προσφέρει στον ελεγκτή την απαραίτητη τάση λειτουργίας, το ρολόι χρονισμού, τα κυκλώματα επικοινωνίας με τον Η/Υ (μετατροπή από USB 2.0 σε RS232 4 ) και κάποια κυκλώματα προστασίας. 4 RS232: Recommended Standard 232 17

Εικόνα 3: Εξωτερική όψη Arduino Uno board και μe ATmega328P Η πλακέτα Arduino προσφέρει στο χρήστη τα 20 pins του microcontroller, εκ των οποίων τα 14 είναι μόνο ψηφιακά, ενώ τα 6 είναι και αναλογικά. Η ταχύτητα χρονισμού του μικροελεγκτή είναι στα 16 MHz. Ο ATmega328 διαθέτει 32KB RAM 5 και 1ΚΒ EEPROM 6. Ο προγραμματισμός του μικροελεγκτή έγινε με το πρόγραμμα IDE Arduino 0022. Στην Εικόνα 4 φαίνονται αναλυτικά τα pin που διαθέτη ο μe και οι πρόσθετες λειτουργίες τους. Εικόνα 4: Arduino Pin Mapping 3.1.2 Δέκτης GPS Για τον εντοπισμό της γεωγραφικής θέσης, επιλέξαμε το δέκτη gps EM-406A. Ο δέκτης αυτός: Προσφέρει ρυθμό ανανέωσης δεδομένων ανά 1 δευτερόλεπτο. Υποστηρίζει λήψη 20 διαφορετικών καναλιών 5 Random access memory. 6 (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) είναι ένας τύπος μνήμης που χρησιμοποιούνται σε υπολογιστές και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές για την αποθήκευση μικρών ποσοτήτων δεδομένων που πρέπει να αποθηκευτούν όταν αφαιρεθεί η τροφοδοσία 18

Παρέχει σειριακή επικοινωνία με το μικροελεγκτή, με βάση το πρωτόκολλο SiRF binary protocol Κωδικοποιεί τα εξερχόμενα δεδομένα με βάση τον κανόνα NMEA 0183 Έχει σχετικά χαμηλό κόστος Εικόνα 5:Εξωτερική όψη και pin out του δέκτη ΕΜ406Α Ο δέκτης διαθέτει 6 pins, εκ των οποίων τα δύο αποτελούν τους ακροδέκτες για τη σειριακή επικοινωνία (RX & RT) με το μικροελεγκτή. Για την κατασκευή, χρειάστηκε, εκτός από το δέκτη gps, και μια επιπλέον πλακέτα (Εικόνα 6), η οποία βοηθάει στην ασφαλή χρήση και επικοινωνία του δέκτη ΕΜ-406Α με την πλακέτα του μικροελεγκτή Arduino. Το ΕΜ-604Α είναι ένας δέκτης gps, ο οποίος προορίζεται, κυρίως, για ερασιτεχνική χρήση. Έτσι δικαιολογούνται και οι μεγάλες του διαστάσεις. Εικόνα 6: Εξωτερική όψη Shield gps και σχηματική απεικόνιση συνδεσμολογίας 3.1.3 Ψηφιακή πυξίδα Η ψηφιακή πυξίδα αποτελεί το όργανο προσανατολισμού του αμαξιδίου. Η πυξίδα που επιλέξαμε ήταν η HMC6352, η οποία ακολουθεί το πρωτόκολλο I2C interface. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει εύκολη συνδεσμολογία και επικοινωνία μεταξύ ελεγκτή και πυξίδας. Το συγκεκριμένο πρωτόκολλο επικοινωνίας, το οποίο στα αγγλικά είναι γνωστό με τον όρο master-slave, θέτει τη μια συσκευή (στη δική μας 19

περίπτωση την πυξίδα) ως συσκευή «υποτελή» και την άλλη συσκευή (μικροελεγκτή) ως «κυρίαρχη». Έτσι, κάθε φορά που ο μικροελγκτής απαιτεί δεδομένα, στέλνει μια εντολή στην πυξίδα και, στη συνέχεια, η πυξίδα αποκρίνεται στέλνοντας τα δεδομένα στον ελεγκτή. Όλα αυτά γίνονται μέσω μιας κοινής διεύθυνσης επικοινωνίας. Εικόνα 7: Εξωτερική όψη και Pin out πυξίδας HMC6352 Το μειονέκτημα αυτής της πυξίδας είναι η μεγάλη της ευαισθησία σε μαγνητικά πεδία. Επηρεάζεται, δηλαδή, πολύ εύκολα η μετρώμενη τιμή ακόμα και από ασθενή μαγνητικά πεδία, όπως, για παράδειγμα, η προσέγγιση ενός μεταλλικού αντικειμένου σε αυτή. Επιπλέον, είναι ευαίσθητη και στον ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο που μπορεί να υπάρχει στις γραμμές του κυκλώματος όπου είναι τοποθετημένη και, σε κάποιες περιπτώσεις, μπορεί να προκληθεί και η καταστροφή της. Ακόμα, σφάλμα στις μετρήσεις προκαλεί η έλλειψη παραλληλότητας με το έδαφος. Εικόνα 8: Σχηματική απεικόνιση συνδεσμολογίας πυξίδας με Arduino Τέλος, παραθέτουμε το κύκλωμα σύνδεσης της ψηφιακής πυξίδας HMC6352. Το εύρος της τάσης τροφοδοσίας της πυξίδας αυτής είναι 2,7V - 5,2V. Όπως αναφέραμε και παραπάνω, η πυξίδα αυτή υποστηρίζει το πρωτόκολλο I2C. Τα pins του Arduino που υποστηρίζουν αυτή τη λειτουργία είναι τα αναλογικά pins 4 και 5. Έτσι, λοιπόν, δικαιολογείται το κύκλωμα που φαίνεται στην παραπάνω εικόνα. 20

3.1.4 Αισθητήριο υπερήχων Τα αισθητήρια υπερήχων χρησιμοποιούνται από την εφαρμογή μας, προκειμένου να γίνεται ο εντοπισμός των εμποδίων. Τα αισθητήρια υπερήχων που επιλέξαμε ήταν τα HC-SR04. Τα αισθητήρια αυτά αποτελούνται από δικό τους ολοκληρωμένο κύκλωμα, στο οποίο υπάρχει ενσωματωμένος ελεγκτής, κάποια απαραίτητα φίλτρα και ρολόι χρονισμού. Ο δέκτης και ο πομπός είναι ανεξάρτητοι, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 9. Εικόνα 9: Εμπρόσθια και οπισθία όψη υπερηχητικών αισθητηρίων HC-SR04 Το αισθητήριο διαθέτει 4 pins, όπου τα δύο είναι για την τροφοδοσία και τη γείωση και τα άλλα δύο αποτελούν το σκανδαλισμό (pin trigger) και τη λήψη (pin echo). Η γωνία λειτουργίας του αισθητηρίου είναι 15 μοίρες. Ο τρόπος με τον οποίο χρησιμοποιείται το αισθητήριο είναι αρκετά απλός. Συνδέουμε, αρχικά, τα pins echo και trigger σε δύο ψηφιακά pins του Arduino. Στη συνέχεια, στο pin trigger δίνουμε το σκανδαλισμό, δημιουργώντας με τον ελεγκτή μας έναν παλμό πλάτους 12 microseconds περίπου από το αντίστοιχο pin. Αυτός ο παλμός δίνει την εντολή στον ελεγκτή του αισθητηρίου αν αρχίσει να παράγει, με την βοήθεια του εκπομπού, έναν υπέρηχο συχνότητας 40kHz. Ο μe του Arduino, από τη στιγμή που θα στείλει τον παλμό των 12 microseconds, μπαίνει σε έναν ατέρμονα βρόχο και περιμένει μέχρι να του έρθει ένας παλμός από το pin echo. Εικόνα 10: Υπόδειγμα σύνδεσης Arduino με HC-SR04 21

Αν μπροστά από το αισθητήριο υπάρχει κάποιο εμπόδιο, τότε μέρος από τον υπέρηχο γυρίζει πίσω, λαμβάνεται από το δέκτη και παράγεται ο παλμός στο pin echo. Αν, όμως, δεν υπάρχει κάποιο εμπόδιο μπροστά από το αισθητήριο, τότε, μετά από 38ms, ο ελεγκτής του αισθητηρίου δημιουργεί τον παλμό στο pin echo, για να μην απασχολεί τον μe μας. Ο μικροελεγκτής υπολογίζει πόσο χρονικό διάστημα διανύθηκε από την ώρα που ξεκίνησε η εκπομπή του σήματος και, με δεδομένη την ταχύτητα του ήχου στον αέρα, υπολογίζει την απόσταση του αντικειμένου. 3.1.5 Servo Ένας απλός τρόπος περιγραφής των Servo θα ήταν να πούμε ότι πρόκειται για DC κινητήρες με ενσωματωμένο τον ελεγκτή θέσης. Κάθε Servo διαθέτει έναν DC κινητήρα και έναν ελεγκτή τύπου PID, ο οποίος κατευθύνει τον κινητήρα, σύμφωνα με την επιθυμία του χρήστη. Για να το πετύχει αυτό, ο PID ελεγκτής δέχεται μια σειρά παλμών από το μικροελεγκτή, στον οποίο είναι συνδεδεμένο το Servo. Αυτό που καθορίζει τη γωνία που πρέπει να περιστραφεί ο ρότορας του κινητήρα είναι η αναλογία του «λογικού μηδέν» και του «λογικού ένα» κατά τη διάρκεια του παλμού (Εικόνα 11). Επομένως, ο PID, με βάση αυτή την αναλογία, υπολογίζει τη γωνία που χρειάζεται να περιστρέψει το ρότορα και, με ανάδραση της θέσης, καταφέρνει να τοποθετήσει ακριβώς το ρότορα του κινητήρα στην επιθυμητή θέση. Εικόνα 11: Διάγραμμα λειτουργίας Servo και διαγράμματα παλμοσείρων εντολοδότησης Τα βασικότερα χαρακτηριστικά που μας ενδιαφέρουν σε έναν Servoκινητήρα είναι η ροπή του και ο χρόνος που χρειάζεται για να περιστραφεί κατά μία μοίρα. Να επισημανθεί σε αυτό το σημείο ότι τα Servo, στην πλειοψηφία τους, δεν κάνουν πλήρη περιστροφή, αλλά περιστρέφονται, συνήθως, από 0 ως 180 μοίρες. 22

Άρα, ενδείκνυνται σε εφαρμογές όπου απαιτείται ακρίβεια για την τελική θέση του κινητήρα. Για τη δική μας εφαρμογή, χρειαστήκαμε δύο Servo. Το ένα Servo απαιτήθηκε για την περιστροφή του τιμονιού. Η συγκεκριμένη εφαρμογή απαιτεί από το Servo να μπορεί να ασκεί μεγάλη δύναμη, για να μπορέσει να περιστρέψει τις ρόδες, ακόμα και σε έδαφος με χώμα και πέτρες. Για το λόγο αυτό, επιλέξαμε το HS- 5755 της Hitec, το οποίο φτάνει σε ροπή και τα 25Kg/cm, όταν τροφοδοτείται με 6 Volts. Ο χρόνος που χρειάζεται για να περιστραφεί κατά μία μοίρα είναι 0,15sec και το βάρος του δεν ξεπερνάει τα 161 γραμμάρια. Εικόνα 12: Servo HS-5755MG της Hitec Το δεύτερο Servo που απαιτήθηκε για την κατασκευή μας αφορά στην περιστροφή του αισθητηρίου υπερήχων, το οποίο είναι υπεύθυνο για τον εντοπισμό και την αποφυγή των εμποδίων. Επομένως, από αυτό το Servo δεν απαιτείται μεγάλη ροπή, αλλά μεγάλη ταχύτητα περιστροφής. Για το λόγο αυτό, επιλέξαμε το S3001 της Futaba. Χρειάζεται 0,22sec για να περιστραφεί κατά 60 μοίρες, ενώ η ροπή του φτάνει τα 3Kg/cm και το συνολικό του βάρος δεν ξεπερνάει τα 41 γραμμάρια. Εικόνα 13: Servo s3001 3.1.6 Οθόνη LCD και πληκτρολόγιο Τέλος, να αναφέρουμε ότι στην κατασκευή χρησιμοποιείται μια οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD) με δύο γραμμές και 16 στήλες. Η οθόνη LCD απαιτεί 6 pins από το Arduino. Tα δύο αφορούν στα bits ελέγχου, ενώ, για την αποστολή των 23

δεδομένων, χρησιμοποιούμε 4 pins. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ο τρόπος σύνδεσής της. Με το ποτενσιόμετρο ρυθμίζεται το contrast της οθόνης. Εικόνα 14: Σύνδεση οθόνης LCD και Arduino Επιπλέον, χρησιμοποιείται και ένα δεκαεξαδικό πληκτρολόγιο με 4x4 πλήκτρα. Το πληκτρολόγιο απαιτεί μόνο ένα αναλογικό pin από το Arduino, καθώς κάθε κουμπί έχει διαφορετική αντίσταση και, άρα, προκαλεί διαφορετική πτώση τάσης. Και τα δύο αυτά στοιχεία βοηθούν στη διεπαφή του χρήστη με τη μηχανή. Εικόνα 15: Εξωτερική όψη δεκαεξαδικού πληκτρολογίου 3.2 Επιμέρους περιγραφή συστημάτων Στο παρόν κεφάλαιο, θα αναλυθούν τα πέντε ανεξάρτητα συστήματα που λειτουργούν πάνω στο αμαξίδιο και διασφαλίζουν τη σωστή και ολοκληρωμένη λειτουργία του. Τα συστήματα αυτά είναι σχεδιασμένα να λειτουργούν ανεξάρτητα μεταξύ τους, ενώ, με την ταυτόχρονη λειτουργία τους, αποδίδεται το επιθυμητό αποτέλεσμα. Ορισμένα συστήματα συνδυάζουν περισσότερα από ένα όμοια ή διαφορετικά εξαρτήματα, που αναλύθηκαν στο παραπάνω κεφάλαιο, για να αποδώσουν το επιθυμητό αποτέλεσμα. 24

3.2.1 Σύστημα υπολογισμού γεωγραφικής θέσης και προσανατολισμού Ο ρόλος του συστήματος αυτού είναι διπλός και, για τη λειτουργία του, απαιτεί τέσσερα εξαρτήματα: δέκτη gps, ψηφιακή πυξίδα, οθόνη LCD, πληκτρολόγιο. Στο πρώτο στάδιο, σκοπός του συστήματος αυτού είναι να γίνει η αποθήκευση πολλαπλών στιγμάτων (waypoints stored), δηλαδή, να ορίσει ο χρήστης τη διαδρομή που αυτός επιθυμεί να ακολουθήσει το αμαξίδιο. Για να το πετύχουμε αυτό, έχουμε εισάγει το πληκτρολόγιο και την οθόνη LCD για τη διεπαφή του χρήστη και της μηχανής. Έτσι, λοιπόν, εμφανίζεται ένα απλό μενού στην LCD, όπου ζητείται από το χρήστη, μέσω του πληκτρολογίου, να εισαγάγει κάποιες επιλογές που ο ίδιος επιθυμεί. Αυτές οι επιλογές έχουν να κάνουν με το αν ο χρήστης επιθυμεί το αμαξάκι να ακολουθήσει την προηγούμενη διαδρομή που είχε αποθηκευτεί ή αν θέλει να ορίσει μια νέα. Σε περίπτωση που ο χρήστης επιθυμεί να εισαγάγει νέα διαδρομή, τότε θα πρέπει να επιλέξει και τον αριθμό των στιγμάτων που θα ήθελε να αποθηκεύσει. Καθώς ο χρήστης κινείται, μπορεί, πιέζοντας ένα μπουτόν, να αποθηκεύει το τρέχον γεωγραφικό στίγμα ως ένα επιθυμητό στίγμα, από το οποίο θα πρέπει, αργότερα, το αμαξίδιο να διέλθει. Ο αριθμός των στιγμάτων που μπορεί να αποθηκεύσει είναι αυτός που επέλεξε προηγουμένως. Σε περίπτωση που θέλει το αμαξίδιο να ακολουθήσει την προηγούμενη διαδρομή, δεν χρειάζεται να επιλέξει κάποια άλλη ρύθμιση. Σε επίπεδο μικροελεγκτή τώρα, όταν επιλεγεί η αποθήκευση νέας διαδρομής, τότε ο μικροελεγκτής διαβάζει συνεχώς το gps, ώστε να μπορεί να εκμεταλλευτεί το μέγιστο ρυθμό ανανέωσης του gps. Στη συνέχεια, ελέγχει αν έχει πατηθεί το μπουτόν από το χρήστη και, σε περίπτωση που το βρει πατημένο, αποθηκεύει στην EEPROM την πιο πρόσφατη τιμή που είχε κρατήσει από το GPS. Με αυτόν τον τρόπο, ορίζεται η διαδρομή που ο χρήστης επιθυμεί. Εφόσον, πλέον, έχει ολοκληρωθεί η παραπάνω διαδικασία, τότε απενεργοποιείται η οθόνη LCD και το πληκτρολόγιο και ερχόμαστε στο δεύτερο 25

ρόλο αυτού του συστήματος, που είναι η εύρεση της αποθηκευμένης διαδρομής ή, αλλιώς, η αυτόνομη πλοήγηση (waypoint trancking). Να συμπληρώσουμε ότι σε αυτό το σημείο φτάνουμε και στην περίπτωση που ο χρήστης επιλέξει από το πληκτρολόγιο να ακολουθηθεί η προηγούμενη αποθηκευμένη διαδρομή. Για την αυτόνομη πλοήγηση, απαραίτητη είναι η συμβολή της ψηφιακής πυξίδας. Στο σημείο αυτό, θα αναλύσουμε τον τρόπο με τον οποίο αυτό το σύστημα πετυχαίνει να ακολουθήσει τη διαδρομή που ο χρήστης εισήγαγε, ανεξαρτήτως του σημείου που βρίσκεται το αμαξίδιο. Για να γίνει κατανοητός ο τρόπος που δουλεύει, θα αναφέρουμε μερικά παραδείγματα περιπτώσεων. Όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα, το αμαξίδιο μας (κόκκινο αυτοκινητάκι) κινείται από το σπίτι προς το κέντρο της διασταύρωσης (κόκκινο σημείο), όπως δείχνει το μπλε βέλος, προκειμένου να πάει στο πρώτο σημείο. Εικόνα 16: Τρόπος υπολογισμού αυτόνομης πλοήγησης. Σημειώνονται η κατεύθυνση της κίνησης του αμαξιδίου και το επιθυμητό σημείο. Με το που το αμαξίδιο καταφέρει να προσεγγίσει το πρώτο σημείο (κόκκινο στίγμα), θα πρέπει να υπολογιστεί η γωνία και η κατεύθυνση στην οποία θα πρέπει να στρίψει, προκειμένου να φτάσει στο επιθυμητό σημείο. Το πρώτο πράγμα που κάνουμε είναι να χωρίσουμε 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, όπως κάνουμε και με το καρτεσιανό σύστημα (Εικόνα 17). 26

Εικόνα 17: Τρόπος υπολογισμού αυτόνομης πλοήγησης. Μετατροπή απόλυτου συστήματος συντεταγμένων της γης σε σχετικό, θεωρώντας το σημείο που βρισκόμαστε ως την αρχή των αξόνων. Στο δεύτερο βήμα, 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 (Εικόνα 18). Με βάση το σχετικό σύστημα συντεταγμένων που δημιουργήσαμε πριν, γνωρίζουμε τις πλευρές του τριγώνου και, άρα, μπορούμε να υπολογίσουμε την γωνία φ. Πλευρά Α = τρέχον γεωγραφικό μήκος αποθηκευμένο γεωγραφικό μήκος Πλευρά Β = τρέχον γεωγραφικό πλάτος αποθηκευμένο γεωγραφικό πλάτος Εικόνα 18: Τρόπος υπολογισμού αυτόνομης πλοήγησης. Υπολογισμός συνεφαπτομένης. 27

Η γωνία φ ισούται με: φ = tan 1 Α Β Εξίσωση 1: Υπολογισμός συνεφαπτομένης για την αυτόνομη πλοήγηση. Στο τρίτο και τελευταίο βήμα, μένει να υπολογίσουμε τη γωνία και την κατεύθυνση που πρέπει να στρίψουμε, με βάση τη γωνία που μας δίνει η ψηφιακή πυξίδα και τη γωνία φ, που υπολογίσαμε προηγουμένως (Εικόνα 19). Εικόνα 19: Τρόπος υπολογισμού πλοήγησης-υπολογισμός τελικής γωνίας περιστροφής. Όπως βλέπουμε και από την παραπάνω εικόνα, η πυξίδα μάς δίνει τη γωνία θ και εμείς έχουμε υπολογίσει τη γωνία φ. Πλέον, είναι πολύ εύκολο να υπολογίσουμε: Πρώτον, 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. Η γωνία αυτή θα καλείται στο εξής «γωνία περιστροφής», για λόγους συντομίας, και, στη συγκεκριμένη περίπτωση, προκύπτει από την αφαίρεση των δύο γωνιών. Δεύτερον, την κατεύθυνση στην οποία θα πρέπει να στρίψουμε. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, πρέπει να στρίψουμε αριστερά. γωνία περιστροφής = θ φ = θ tan 1 Α Β Εξίσωση 2: Υπολογισμός γωνίας περιστροφής Η γωνία θ, δηλαδή η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ της κατεύθυνσης όπου «κοιτάει» το αμαξίδιο και του Βορρά, εξαρτάται από τον τρόπο που το αμαξίδιο προσεγγίζει κάθε φορά το σημείο. Στην περίπτωση που το αμαξίδιο, στο παραπάνω 28

παράδειγμα, προσέγγιζε το σημείο από την ακριβώς αντίθετη κατεύθυνση, τότε τα πράγματα θα ήταν διαφορετικά (Εικόνα 20). Εικόνα 20: Τρόπος υπολογισμού αυτόνομης πλοήγησης. Εναλλακτική περίπτωση. Υπολογισμός συνεφαπτομένης. Σε αυτή τη περίπτωση, εφαρμόζουμε το ίδιο σκεπτικό με πριν, ακολουθώντας την ίδια διαδικασία. Αλλά αυτό που παρατηρούμε τώρα είναι ότι η γωνία που σχηματίζουμε με το Βορρά, αυτή τη φορά, είναι πολύ μεγαλύτερη σε σχέση με πριν. Αυτό θα αλλάξει και τη γωνία περιστροφής. Εικόνα 21: Τρόπος υπολογισμού αυτόνομης κατεύθυνσης- Εναλλακτική περίπτωση. Υπολογισμός γωνίας περιστροφής. Όπως φαίνεται και από την παραπάνω εικόνα, η κατεύθυνση που πρέπει να στρίψουμε είναι προς τα δεξιά και η γωνία περιστροφής ισούται με: 29

γωνία περιστροφής = 360 θ + φ Εξίσωση 3: Υπολογισμός γωνίας περιστροφής εναλλακτική περίπτωση Με τον ίδιο τρόπο σκέψης και με τα διαγράμματα που περιγράψαμε παραπάνω, προέκυψαν όλες οι παρακάτω περιπτώσεις: Πρώτο τεταρτημόριο τρεις διαφορετικές περιπτώσεις Δεύτερο τεταρτημόριο τέσσερεις διαφορετικές περιπτώσεις Τρίτο τεταρτημόριο τέσσερεις διαφορετικές περιπτώσεις Τέταρτο τεταρτημόριο τρεις διαφορετικές περιπτώσεις Η γωνία περιστροφής και η κατεύθυνση που προκύπτουν από κάθε περίπτωση χρησιμοποιούνται άμεσα από το σύστημα διεύθυνσης ( κεφάλαιο 3.2.2). 3.2.2 Σύστημα διεύθυνσης Σύστημα διεύθυνσης ονομάζουμε το σύστημα το οποίο είναι υπεύθυνο για την περιστροφή του τιμονιού. Όπως αναφέραμε και στην παράγραφο 3.1.5, για την περιστροφή του τιμονιού, χρησιμοποιούμε το Servo HS-5755 της Hitec. Η επιλογή αυτού του Servo δεν ήταν τυχαία. Η δύναμη που απαιτείται για να στρίψει το τιμόνι, ενώ το αμαξίδιο βρίσκεται σε ακινησία, σε λείο οδόστρωμα φτάνει τα 2,5-3,5Kg και σε χωματόδρομο τα 4-5,5Kg. Η απόσταση μεταξύ του άξονα περιστροφής του Servo και του σημείου όπου εφαρμόζεται η δύναμη είναι κάπου στα 4cm. Άρα, η μέγιστη ροπή που απαιτείται είναι 4x5,5=22Kg/cm. Βάζοντας και ένα συντελεστή ασφαλείας 10%, για να μην δουλεύει το σύστημα στο όριο, φτάνουμε στα 24,2Kg/cm. Άρα, ο HS-5755 ικανοποιεί της απαιτήσεις μας. Εικόνα 22: Σκαρίφημα υπόδειξης αποστάσεων 30