Πτυχιακή εργασία Σχολή Τεχνολογ ικών Εφαρ μογών Τ μήμα Αυτο ματισμού ΕΛΕΓΧΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΩΝ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟ ΘΥΡΑ ETHERNET ΤΟΥ μc 1 ΖΟΥΖΙΑΣ ΕΥ ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Μ:35276 2 ΠΑΧΗΣ ΣΩΤΗ ΡΗΣ Α.Μ:37993 3 ΣΑΡΑΣΟΥΑΤΙ-ΔΑΛΙΑΝΗΣ ΧΑΡΗΣ Α.Μ:35210 Επιβλέπον Καθηγητής: ΠΑΠΟΥΤΣΙΔΑΚΗΣ ΜΙΧΑΛΗΣ ΑΙΓ ΑΛΕΩ, ΙΟΥΝΙΟΣ 2013
Ευχαριστούμε του ς καθηγητ ές του ε ργαστηρίου Μηχατρονική ς,που μας έ σ ν τf1 ν ι> - ιρ ία. ν α χ η θ ύμ, μ, τ Θ J μ, αυ. χαρ ι τ ' μ, δτιίση ς όλου ~ όσου ~ συν έ βαλαν γ ια τη ν ολοκλή ρωση τη ς πτυχιακή ς 1 εργασ ια ς.
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογο ς................................................ ελ 4 ΚΕΦΆΛΑΙΟ 1 : Robot & Αυτοματισμοί 1.0 Ιστορική αναδρομή......... σελ 5 1.1 Ethernet........... σελ 13 1.2 Arduίno...... σ ελ 15 1.3 Mobile Robots............ σελ 18 Κεφάλαιο 2 : Η Κατασκευή οχήματος για έλεγχο λειτουργιών αυτόνομου οχήματος από θύρα Ethernet του μc 2. 1 Ο επεξεργαστής ARDUINO ETHERNET W/POE... σελ 20 2. 1.1 Είσοδοι/Εξοδο ι........ σελ 21 2.1.2 Τροφοδοσία........ σελ 23 2.1.3 Γλώσσα προγραμματισμού... σελ 25 2.2 Αισθητήρ ια............ σελ 28 2.2. Ι line tracking sensors........... σελ 29 2.3 Κινητήρ ες......... σελ 30 2.4 Κατασκευή...... σελ 31 Κεφάλαιο 3: Εξέλιξη και βελτιστοποίηση Mobile Robots 3.1 Αισθητήριο Υπέρηχων... σελ 37 3.2 Ηλιακός Συλλέκτης...... σελ 38 3.3 με AVR... σελ 39
3.4 θ ό vη cd :................................ σ ελ 39 3.5 Πρ οσ Οήκη Κ άμερας:....................................... σ λ 40 1iΙ~ιt11 ιι Η ιι ΙΙιlli ι tιj ι tι ιι t!j. 1.1
Πρόλογος Σύμφωνα με το Robot Institute of AmeΓica, ως ρομπότ μπορ ού με να ορίσου με ένα μηχανισμό σχεδιασμένο ώστε, μέσω προγραμματιζόμενων κινήσεων, να μεταφ έ ρ ε ι υλικά, τεμάχια, εργαλεία, ή ε ιδικευμένες συσκ ευές με σκοπό την επιτέλεση ποικιλίας εργασιώ ν. Η ρομποτική στις μέρ ες μα ς ε ίναι ένα ς πολύ σημαντικός και εντυπωσιακός κλάδος.από την αρχαιότητα μέχρη σήμε ρα έχε ι εξελιχθεί πάρα πολύ μ ε αποτέλεσμα να έχε ι μπε ι και στην καθημερινότητα μα ς για την εξυπηρ έτηση των αναγκών μα ς. Η ρομποτική ε πεκτε ίνετε σε πολούς τομείς. Κατά κύριο λόγο θα βρούμε ένα μ εγάλο εύ ρος στην βιομηχανία,ό που τα εργοστάσια είναι εξοπλοισμένα με ρομπότ τα οποία κρατούν σχέδον ολόκληρη την γραμμή παραγωγής, έχοντας αντικαταστίση την ανθρώπινη εργασία. Ρομποτική επίσης θα δού μ ε από στον Στρατό για την εξέλιξη οπλικών συστημάτων, στην Ιατρική στα μηχανήματα μεγάλης ακρίβειας,μέχρι και στην καθημερινή μας ζωή, οπού εξυπηρετούν διάφορες ανάγκες των ανθρώπων όπως ρομποτικά άκρα,όργανα ακοής. Σκοπός της παρούσας πτυχιακής είναι ένα όχημα το οποίο ε κτελε ί μια προκαθορισμένη διαδρόμη και να μην βγαίνει ποτέ ε κτός πορ ε ίας εως ότου αυτή ολοκληρωθεί.με αντικείμενο την κατασκευ~) ενός μηχατρονικού αυτόνομου οχ1)ματος το οποίο θα ελέγχεται απο θύρα Ethemet του με.για την πραγματοποίηση τη ς θα χρησημοποιήσουμε εναν επεξε ργαστή ARDUINO ETHERNET W/POE ο οποίος θα ελέγχε ι 4 αισθητήρια που εντοπίζουν το λευκό και το μαύρο χρώμα(lίηe tracking sensors) και 2 κινητήρες serνo οι οποίοι θα δίνουν κίνηση στο όχημα.
ΚΕΦΆΛΑΙΟ 1 : Robot & Μηχατρονική 1.0 Ιστορική αναδ ρομή Το πρώτο ρομπότ το συναντούμε στην ελληνική μυθολογία και συγκε κριμέ να στην Κρήτη. Ο μύθο ς έλεγ ε ό τι ο θε ό ς Ήφαιστος δημιούργησε ένα τε ράστιο χάλκινο ανθρωπόμορφο ον και το έ καν ε δ ώρο στο βασιλιά Μίνωα για να προστατ εύ ε ι την Κρήτη. Ο Τάλως ε ίχε καθήκον να επισκέπτεται τα χωριά του νησιού και να φροντίζε ι να εφ α ρμό ζουν τους νόμους. Επίση ς, ε ίχε αναλάβει να κάν ε ι καθημ ε ρινά το γύρο του νησιού και να ε κσφ ενδονίζε ι πέτρ ες στα εχθρικά πλοία που ήθ ε λαν να καταλάβουν την Κρ1)τη. Η επιστήμη της ρομποτική ς ε ίναι μία ν έα επιστήμη, που αναπτύσσεται με ραγδαίου ς ρυθμού ς. Έτσι, τα πρώτα σύγχρονα ρομπότ, που φτιάχτηκαν πε ρίπου στο 1950, δ εν έχουν καμία σχέση με τα ρομπότ που χρησιμοποιούμ ε στις μέρες μας και σίγουρα, ούτ ε με αυτά που θα έχουμε στο μέλλον. Α ξ ίζε ι όμως να γνωρίσουμε τα ρομπότ των προηγούμενων δε κα ε τιώ ν. Κάθ ε ένα από αυτά ήταν η έ μπνευση αλλά και μία πολύτιμη πηγή πληροφοριών, ώστε να κατασκευαστούν ακόμα πιο εξελιγμ ένα μοντέλα που θα μπορούσαν να πραγματοποιήσουν ακόμα πιο πολύπλοκε ς ε ργασίες. Μ ε ρικές από αυτές ε ίναι : 1912 - Electric Dog: Ε ίναι ο πρόγονο ς όλων των φωτοτροπικών αυτόματων ρομπότ. Σχε διάστηκε και κατασκευάστηκε στις ΗΠΑ από τους ερευνητές John Η aιηιηοηd, Jr και Benjamin Miessner οι οποίοι εργάζονταν στον τομέα της Ραδιο δυναμικής. Στην πραγματικότητα κατασκευάστηκε από τον τελευταίο. Το Elecric dog ήταν έξ οπλισμ ένο με φωτοκύτταρα, έτσι ώστε αν ο ' εχθρός ' έστρεφ ε το φω ς πάνω του, αυτό αμ έσως οδηγούνταν προς το μέρος του. Εικόνα 1. 2. 1και1.2. 2 : Αριστερά το Electric Dog ακολουθε ί έ να φακό και δεξιά η πίσω όψη του ρομπότ 1933 - Maze Machine Learning - Ross Thomas: Ένα ς μηχανικός "αρουραίος" επινοήθηκε από τον Δρ Ste ν e n son Smith, του Πανεπιστημίου της Ουάσινγκτον. Η ηλε κτρική συσκευ1ί κινούνταν κατά μήκος μιας διαδρομής με αυλάκια που τη χώριζαν σ ε διάφορα σημε ία, υποχρ ε ώνοντας τον "αρουραίο" να επιλέξει ποια
κατεύθυνση να ακολου θ ή σε ι. Αν έπα ιρ νε το λάθο ς δ ρ ό μο κα ι έ μπα ινε σε αδ ιέξοδο, ο ι μη χαν ι κές ' κερα ίες' του τον ανάγκα ζαν να σταματή σε ι, να ανατρ έξε ι τη ν δ ιαδ ρ ο μή του κα ι να δ οκιμάσε ι ξανά, μ έχρι η όλη πορ ε ία το υ να ολοκληρωθ ε ί με επιτυχία. Το μοντέλο σχεδιάστηκε για να μα ς δ ε ίξε ι πώς τα αντανακλαστικά διαφ έ ρουν από τι ς δ ιαδικασίες σκέ ψης. Εικό να 1.2.3 και 1.2.4: Αριστερά το Ross Thomas και δεξι ά ο λαβύρινθος 1961 UNIMATE («Γιούνιμεϊτ))): Πρόκειται για το πρώτο ρομπότ που χρησιμοποιήθηκε στη βιομηχανία και συγκεκριμένα, στην κατασκευή αυτοκινήτων. Το Unimate μετέφερε σιδερ ένια εξαρτήματα στο σκελετό του αυτοκινήτου που κατασκευα ζόταν Ήταν μία ε ργασία πο λύ επικίνδυνη για του ς ανθρώπους, καθώς εισέπνεαν το ξ ικά αέ ρια, ενώ μπορ ε ί να τραυματίζονταν αν δ εν ήταν αρκετά προσ ε κτικοί. Εύκολα, λοιπό ν, καταλαβαίνε ι καν ε ίς πόσο σημαντική ήταν αυτή η εφ εύρ εση για χιλιάδες εργάτες στις αυτοκινητοβιομηχανίες!
RANCHO ARM 1963 («Ράντσο αρμ»): Το συγκε κριμένο ρομπότ ε ίναι μία από τις πρώτες προσπάθε ιες των επιστημόνων του νοσοκομείου Λος Αμίγκο ς στην Καλιφόρνια να δημιουργήσουν τεχνητά μέλη για άτομα με ε ιδικές ανάγκες. Και τα κατάφε ραν. Το Rancl10 Απη, χά ρη στ ις 6 α ρθρ ώσε ι ς του, ε ίχε εύελ ιξ ία ό μο ια με αυ ηί του υ π λ ιστή SΗΑΚΕΥ 1970 («Σέικι»): Το Shakey είναι το πρώτο κινούμενο ρομπότ που μπορούσε να πραγματοποι ε ί λογικές διε ργασίες. Δημιουργήθηκε από τους επιστήμονε ς του τεχνολογ ικού ινστιτούτου SRI (Stanford Research Institute) στις ΗΠΑ. Μπο ρ ού σ ε να. μ ε τα.κινε ί1αι στο χώ ρο κα ι να αναγνω ρίζει γ ια πο ιο λόγο κάνε ι μία ενέργε ια.
Η αποστολή του ήταν να ανοίγε ι και να κλείν ε ι διακόπτες και πόρτες, και κυρίω ς να ξέ ρ ε ι πότε πρ έπε ι να το κάν ε ι και γιατί! Επίση ς χρησιμοποη1θηκε και σαν τηλεοπτική κά μ ε ρα, αλλά κα ι σαν α ισθη τήρα ς ακτ ίν ων Iazer. 1948-1949 - Elmer και Elsie: Ο William Grey Walter κατασκ εύασε τα ρομπότ Elmer και Elsie, δυο αυτόνομα ρομπότ, τα οποία ονομάστηκαν Machina Speculatrix, επε ιδή του ς άρ εσε να εξε ρ ευνούν το περιβάλλον τομς, Επίση ς συχνά π ε ριγράφονται και ω ς χελώνες λόγω του σχήματο ς του ς και του αργού ρυθμού κίνησής τους. Το κάθ ε ένα από τα ρομπότ Elmer και Elsie ήταν εξοπλισμ ένο με έναν αισθητήρα φωτό ς. Α ν έ βρισ καν κάποια πηγή φωτό ς κινούνταν προ ς αυτήν, αποφ εύγοντα ς παράλληλα τα ε μπόδ ια που βρίσ κονταν στον δ ρ ό μο του ς. π ίση ς αν το επίπεδο ενέ ργε ιάς των μπαταριών του ς έπεφτε σε χαμηλά επίπεδ α τότε μπορούσαν μ έσω του φωτοτροπισμού να βρουν ένα σταθμό φόρτισης και να επαναφορτιστούν. Αυτά τα ρομπότ αποδ ε ίκνυαν ότι μία πολύπλοκη συμπεριφορά μπορούσ ε να προκύψει από έναν απλό σχεδιασμό. Τα ρομπότ ήταν εξοπλισμένα με μια μικρή λάμπα-φλας στο πάνω μ έ ρος τους (κεφάλι) η οποία απ ε ν ε ργοποιούνταν αυτόματα κάθ ε φορά που το φωτο-κύτταρο λάμβανε ένα επαρκέ ς σήμα φωτός. Όταν συναντούσαν ένα κάτοπτρο ή μια λευκή επιφάνε ια, το ανακλώμενο φως από το κ εφά λ ι των ρομπότ ήταν επαρκές για τη λε ιτουργία ελέγχου απόκριση ς του κυκλώ ματο ς των ρομπό τ στο φω ς, έτσι ώστε τα ρομπότ λειτουργούσαν με τη δικιά τους αντανάκλαση. Όμως καθώς το έκαναν αυτό, το φως έσβην ε, πράγμα που σήμαινε ότι το ε ρέθισμα αποκοπτόταν. Έτσι η έλλειψη του ερ εθίσματος αποκαθιστούσε το φως, το οποίο και πάλι φαινόταν ως ερ έθισμα, και ούτω καθεξής. Τα ρομπότ καθυστερούσαν ως εκ τούτου πριν από έναν καθρ έφτη καθώς τρ ε μόπαιζαν. Μ ε αυτό τον τρόπο αποδεικνύονταν ότι τα ρομπότ ε ίναι ανώτε ρα από πολλά «έξυπνα» ζώα που συνήθως αντιμετωπίζουν την αντανά κλασή τους μ ε πρ ο β ληματισμό, σαν να βλέπουν ένα ά λλο ζώο μπροστά του ς.
Εικ6 vα 1. 2.5 και 1. 2. 6: Αριστερά το Elmer και δεξι ά το Els ίe ρομπότ Στ η συ ν έχε ια μία από τ ις χελώ νες τροποπο ιήθηκε (μάλλον η Ιιη e ι"). Πι συγκε κριμένα τη ς ε ίχαν προσθέ σε ι μια απλή και μόνο κυψέλη " εγκ έ ψαλου " και δύο αντανα κλαστικά κυ κλώματα με τα οπο ία θα μπορού σε να δ ιδ αχθ ε ί απλές συμπε ριφ ρ έ ς. Αυτή η χε λ να ο ν μαζ ταν RA. κοπός τ a ή ταν να β ρίσκε ι τρόφ ιμα κα ι να πε ριπλαν ι έτα ι γύ ρω από ένα κ:α μνί που βρίσκονταν τη μ η τ υ δαπέδου. Η εκπαίδευσή του αποτελούνταν από πολύ απλές εντολές. Μ ε αυτέ ς τις εντολές προσπαθούσαν να διδάξουν το ρομπότ ότι ο ήχος μιας σφυρίχτρας σήμαινε ε μπό διο. Έτσι το σφύριγμα αναγνωρίζονταν από το Cora ω ς ένα αντικε ίμ ενο που έπρ επε να αποφύγε ι. Η ε κπαίδευση γινόταν με μια αστυνομική σφυρίχτρα.. Στην Αγγλία, μια αστυνομική σφυρίχτρα ε ίχε δύο νότες που ακούγονται μαζί και κάνουν ένα ιδιαίτερα δυσάρεστο ήχο. Ο Walter προσπάθησε να του διδάξε ι, ως εκ τούτου, ότι η μία νότα τη ς σφυ ρ ίχτρ ας σήμα ινε ε μπόδ ιο και ότ ι η άλλη νότα σήμα ινε τρ ό φιμ α. ια την επίτ ευξη αυτή ς τη ς ε νέ ργ ε ια ς ο Walter πρ οσπάθησε να δημιουργήσε ι αυτό το αντανακλαστικό έχοντας δύο συντονισμένα κυκλώματα, ένα από τα οποία σχετίζονταν με την ανταπόκριση στην όρεξη και το άλλο με την απόκριση στην αποφυγή. Η μία πλευρά τη ς σφυρίχτρας φυσιόνταν πριν το ρομπότ άγγιζε ένα αντικε ίμ ε νο έτσι ώστε να μάθ ε ι να το αποφεύγε ι, ενώ η άλλη πλευρά της σφυρίχτρας φυσιόνταν πριν το ρομπότ διακρίνε ι φω ς. Εικόνα 1.2. 7 και 1.2.8: Αριστερά το Cora μπροστά από έ να καθρέπτη και δεξιά μπροστά σε διάφορα εμπόδια
1961 - St~ιnford Cart: Κατασκευάστηκε αρχικά από τον James L. Adams ως ερευνητικό όχημα για απομακρυσμένες αποστολές στο φ εγγάρι. Το Stanfotd CaΓt ε ίχε τέσσερις μικρές ρόδ ες ποδηλάτου που συνδ έονταν με ηλε κτρικούς κινητήρ ες και τροφοδοτούνταν από μια μπαταρία αυτοκινήτου. Επίση ς πραγματοποιούσε λίίψ ε ις μ ε μια τηλεοπτική κάμερα με σταθ ε ρή θέα προς τα εμπρός. Δοκιμές δι ε ξήχθησαν μ ε το Cart να στρίβει τόσο με δύο ρόδες (μπροστινές), όπως ένα αυτοκίνητο, όσο και με τέσσερις, στο οποίο οι τροχοί και η τηλεοπτική κάμερα περιστρέφονταν μαζί. Το Stanford Cart συνδεόταν με ένα πολύ μακρύ καλώδιο σε μια.κονσόλα ελέγχου, με οθόνη τηλεόρασης για τον έλεγχο της οδήγησης και της ταχύτητας. Ο Adams διερευνούσε τη δυνατότητα ελέγχου του οχήματος, αποφεύγοντας τα εμπόδια με διάφορους συνδυασμούς τριών συντελεστών: της καθυστέρησης, τη ς επικοινωνία ς και της ταχύτητας. Όταν οι εντολέ ς διεύθυνσης καθυστερούσαν στην επικοινωνία, υπήρχε μια τάση για το χειριστή πάνω στο τιμόνι και έχανε τον έλεγχο. Μεταξύ άλλων, ο Adams έδειξε στη διατριβή του ότι με καθυστέρηση επικοινωνίας, που αντιστοιχεί στο ταξίδι μετ 'επιστροφής στη Σελήνη (περίπου 2 1/2 δευτερόλεπτα), το όχημα δεν μπορεί να ελεγχθεί με αξιοπιστία εάν ταξιδεύει γρηγορότερα από περίπου 0,3 km/h.... ' Εικόνα 1.2.17: Το Stan/ord Cart
Μηχατρονική : Ο όρος Μηχατρονική ε ίναι ένας σύγχρονος νεολογισμός που υποδηλώνε ι τον συνδυασμό των επιστημών τη ς Μηχανολογίας, Η λεκτρονιιοί ς - Ηλεκτρολογία ς και Πληροφορικής. Μηχατρονική: = Μηχανολογία + Ηλεκτρονική +Πληροφορική Εφάμιλλος όρος για την Μηχατρονική είναι η Τεχνική Κυβερνητική - Technical Cybernetics.Σπανίως χρησιμοποιείται και ο όρος Μηχανοτρονική ή Ηλεκρομηχανολογικοί Αυτοματισμοί. Η Μηχατρονική Θεωρείται ε μπλουτισμό ς των κατά βάση μηχανολογικών συστημάτων με ηλεκτρονικά εξαρτήματα που αρκετά συχνά ε μπε ριέχουν λογισμικό, δηλαδή: Μηχατρονική ε ίναι η συνεργεία τριών αυτών επιτστημών Μηχανολογία, Ηλε κτρολογία, Πληροφορική με σκοπό την δημιουργία συστημάτων που να απλοποιούν την παραγωγή. Στην φιλοσοφία τη ς Μηχατρονικής, ο ενσωματωμένος υπολογιστής ελέγχου ε ίναι το κεντρικό στοιχείο, και ο πυρήνα ς τη ς τεχνολογίας η οποία την καθιστά την Μηχατρονική ένα μοναδικό τομέα. Ψηφιακά και αναλογικά κυκλώματα, μαζ ί με επενε ργητές και επιστημονικά όργανα περιβάλλουν άμεσα τον υπολογιστή ελέγχου και λειτουργούν προσαρμοστικά μεταξύ του υπολογιστή και του ελεγχόμενου φυσικού συστήματος. Τα χαρακτηριστικά που διαφοροποιούν το κάθε σύγχρονο μηχανικό σύστημα, καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από την εφευρετικότητα και αποτε λεσματικότητα του ενσωματωμένου σε αυτό λογισμικό. Τα παρεμβαλλόμενα στοιχεία υποστηρίζουν το λογισμικό αυτό παρέχοντας του τις τρ έχουσες πληροφορίες από το ελεγχόμενο σύστημα και μεταφράζοντας τις εντολές του σ ε ενεργ11 παροχή διαμορφωμένης ισχύος.. Ο όρος "Μηχανοτρονική" επινοήθηκε για πρώτη φορά από τον Tetsuro ΜοΓi, ανώτερο μηχανικό της ιαπωνικής εταιρείας Yaskawa, το 1969. Η Μηχατρονική εναλλακτικά, μπορεί να αναφέρεται και ως η Επιστήμη των "Ηλεκτρομηχανολογικών συστημάτων" ή λιγότερο συχνά ως η Επιστήμη "ελέγχου και του αυτοματισμού της μηχανικής". Ειδικότερα, η UNESCO ορίζει για την Μηχατρονική ότι είναι: 'Ή συνεργ ιακή ολοκλήρωση τη ς μηχανολογίας με την ηλεκτρονική και τον ευ φυή υπολογιστή ελέγχου στον σχεδιασμό και την κατασκευή των προϊόντων και διαδικασιών. 11 Ωστόσο ένας πιο ενδιαφέρων ορισμός είναι ότι Μηχατρονική ε ίναι: κατασκευή των ευφυών μηχανικών συστημάτων. 11 'Ή Μελέτη και Κάτω από αυτή τη θεώρηση, η Μηχατρονική μπορεί να ερμηνευθεί ως 'Ή εφαρμογή πολύπλοκης διαδικασίας λήψης αποφάσεων κατά τη λειτουργία φυσικών συστημάτων. " Ένα Μηχατρονικό σύστημα είναι ένα σύστημα το οποίο ενσωματώνει την ψηφιακή επεξεργασία σήματος και την έκδοση του σήματος αυτού σε ένα τελικό σημείο δράσης μέσω ενός ενεργοποιητή, δημιουργώντας κινήσεις ή ενέργειες σχετικά με το σύστημα. Είναι ένα ολοκληρωμένο σύστημα με αισθητήρες, μικροεπεξεργαστές και ελεγκτές. Ένα Μηχατρονικό σύστημα αποτελείται κυρίως από μηχανισμούς Κίνησης,Ελέγχου και Αισθητήρες.
Οι πιο σημαντικές εφ αρμογ ές τη ς Μηχατρονική ς ε ίναι η ρομποτική, τα συστήματα μετα φο ρών, συστ~1ματα παρ αγωγή ς, μηχανές CNC, και οι βιομηχατρονικές νανο μη χαν ές. Η τελε ιότε ρη ό μω ς ε φ αρμογή τη ς Μη χατρ ο νιιcή ς ε ίνα ι το Ρ ο μπ ότ. Πρ έπε ι να σημειωθ ε ί ότι η Ρομποτική ε ίναι κλάδο ς τη ς Μηχατρονική ς. Ρομποτική ε ίναι η τέχνη του σχε δ ιασμού και τη ς κατασκευή ς επαναπρογ ρ α μματ ιζο μένων στο ιχε ίω ν - συσκευών ευ έλ ι κτω ν κα ι ι κανώ ν να εκτελού ν δ ιάφορ ες λε ιτουργί ες. Το επίπεδο του αυτοματισμού ε ίναι πο λύ πιο ευ έλικτο κα ι δε ίχνε ι τις μελλοντικές τάσ ε ις στην υπόλοιπη μηχατρονική. Η ε φ α ρμογή τω ν μηχατρονιιcή στη μεταφ ο ρ ά λαμβάνε ι χώ ρα κατά το σχεδ ιασμό των ενε ργητικών μηχανισμού ς (π.χ. ε ν ε ργό ς αναστολή), του ς κραδ ασμού ς ελέγχου, μηχανισμού ς σταθ ε ροποίηση ς και αυτόνομη πλοήγηση.
1.1 Ethernet Το Etl1ernet ε ίνα ι το π ιο χρ η σ ιμοπο ιού μ ενο πρωτό κολλο ε νσύρματη ς τοπική ς δ ικτύωση ς υπολογ ιστών. Αναπτύχθηκε από τη ν εταιρ ε ία ΧeιΌχ κατά τη δε καετία του '70 και έγινε δη μοφιλές αφότου η Digital Eq uipment C oφoration και η Intel, από κοινού με τη Xerox, προχώρησαν στην προτυποποίησή του το 1980. Το 1985 το Ethen1et έγ ινε αποδε κτό επίσημα από τον οργανισ μό ΙΕΕΕως το πρότυ πο 802.3 για ενσύρ ματα τοπικά δίκτυα (LAN).To Ethen1et κατασκευάστη κε αρχ ικά για σύνδεση ε κτυπωτών laser στα ε ργαστήρια τη ς ΧeΓΟχ. Έ να δ ί κτυ ο Ethemet σας δ ίνε ι μεγάλη ταχύτητα, η ο πο ία ξεπε ρνάε ι του λάχιστο ν ε κατό φορ ές τη ταχύτητα μιας σε ιριακής σύνδεση ς, ε νώ μπορ ε ί να χρησιμοποιηθ ε ί από μεγάλους αριθμούς υ πολογισ τών. Το Ethernet διακρίνετε σε 4 κατηγορίες: Ethernet (!OMBps), όπου γ ια τ ις συνδ έ σε ι ς με χαλκό χpη σ ιμοποι ε ίτ αιι το πρότυ πο IOBASE-T Fast Ethernet (!00 Mbps ), όπου για τις συνδέ σ ε ι ς με χα λ κό έχε ι επικρατήσε ι το πρ ό τυπο loobase-tx Gigabit Ethernet (! Gbps), όπου για τις συνδ έσ ε ις με χαλκό έχε ι επικρατή σ ε ι το πρότυπο 1 OOOBASE-T 10 Gigabit Etbernet ( 1 OGbps) RJ-45 Male Plug 8765 4 32 1 1 23 4 56 7 8 e 1 23 4 56 7 8 RJ-45 Female Page 1 of 2 - Color Standard Ε ΙΑ fπα Τ568Α Ethernet Patch Cable RJ45 Ρίn# Ρίn# RJ45 Green!Whίte Tracer 1 1 Green!Whίte Tracer Green 2 2 Green Orange!Whίte Tracer 3 3 Orange!Whίte Tracer Blue 4 4 Blue Blue!Whίte Tracer 5 5 Blue!Whίte Tracer Orange 6 6 Orange Brown!Whίte Tracer 7 7 Brown/Whίte Tracer Brown 8 8 Brown Color Standard EIAfflA Τ568Α Ethernet Crossover Cable "A"is earller RJ45 Ρίn # Green!Whίte Tracer 1 Green 2 Orange ιwhίte Tracer 3 Blue 4 Blue/Whίte Tracer 5 Orange 6 Brown!Whίte Tracer 7 Brown 8 Pin# RJ45 1 Orange!Whίte Tracer 2 Orange 3 Green/Whίte Tracer 4 Brown/Whίte Tracer 5 Brown 6 Green 7 Blue 8 Blue/Whίte Tracer.._. r! '"' α
Για το ν έ λεγχο πρ όσ β αση ς στο κο ινό μέσο το Ethernet αξ ιοπο ι ε ί το ν αλγό ριθ μο CSMA/CD (Caπi e ι- πε ριπτώσε ις όπου επιτρ έπεται μόνο half-duplex σύνδ εση. Sense Multiple Access with Collision Detection), στις Πρακτικά, το Ethernet χρησιμοποιεί τη μ έ θοδο μετάδοσης δ εδομ ένων σε μορφή πακέτων (packet switcl1ing) μέγιστου μ εγέ θου ς (M aximuιη Transmission Unit, MTU) 1500 bytes και ελάχιστου 46 bytes. Για το σκοπό αυτό, δεδομένα με μήκος μ εγαλύτερο των 1500 bytes κατατέ μνονται σε πακέτα των 46-1500 bytes (το λεγό μενο payjoad) τα οπο ία αποστέλλοντα ι δ ιαδο χι κά στη γρ α μμή επικοιν ω νίας. Αν το payload έχε ι μήκο ς μικρότερο των 46 bytes, προστίθε νται επιπλέο ν κενά bytes ώστε αυτό να αποκτήσει το επιθυμητό ελάχιστο μήκος. Επιπλέον του payload, προστίθ ενται πληροφορίες όπως ο σε ιριακός αριθμός της κάρτας Ethernet, οι φυσικ έ ς διευθύνσ ε ις (MAC addresses) αποστολέ α και παραλήπτη, καθώς και δεδομένα για έλεγχο σφαλμάτων κατά τη μετάδοση. το μήκος του payjoad,
1.2 Arduino: Το Arduino ε ίναι μια υπολογιστική πλατφόρμα βασισμένη σε μια απλή μητρική πλακέτα με ενσωματωμένο μικρο ελεγκτή και ε ισόδου ς/εξόδους, και η οποία μπορεί να προγραμματιστε ί με τη γλώσσα Wiήng (ουσιαστικά πρόκε ιται για τη C++ με κάποιες μετατροπές). Το Arduino μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη ανεξάρτητων διαδραστικών αντικειμένων αλλά και να συνδεθεί με υπολογιστή μέσω προγραμμάτων σε Processing, Max/MSP, Pure Data, SιιperCollider. Οι π ε ρισσότε ρ ες ε κδόσε ις του Arduino μπορούν να αγοραστούν προ - συναρμολογημένες το διάγραμμα και πληροφορίες για το υλικό είναι ελεύθερα διαθ έ σιμα για αυτούς που θέλουν να συναρμολογήσουν το Arduino μόνοι τους.προορίζεται για καλλιτέχνες, σχεδιαστές, χομπίστες, και οποιονδήποτε ε νδιαφ έ ρεται για τη δημιουργία διαδραστικών αντικειμένων ή περιβάλλοντων. Το 2005 ξεκίνησε ένα σχέδιο για την κατασκευή μιας πλακέτας για των διαδραστικών έ ργων σχε διασσμού που Θα ήταν λιγότε ρο ακριβά από τα υπόλο ιπα συτήματα. Ιδρυτές ε ίναι ο Massiιηo Banzi και ο Daνid Cuartielles, όπoυ έδωσαν και την ονομασία. Το πρόγραμμα Arduino έλαβε τιμητική μνεία στην κατηγορία Digital Communities στο Ρrίχ Ars Electronica το 2006. Μία πλακέτα Arduino αποτελείται από ένα μικροελεγκτή Αtιηe\ Α VR (Α Tmega328 και Α Tιnega l 68 στις νεότε ρες εκδόσεις, Α Tmega8 στις παλαιότερες) και συμπληρωματικά εξαρτήματα για την διευκόλυνση του χρήστη στον προγραμματισμό και την ενσωμάτωση του σε άλλα κυκλώματα. Όλες οι πλακέτε ς πε ριλαμβάνουν έ να γραμμικό ρυθμιστή τάσης 5V και έναν κρυσταλλικό ταλαντωτή 16MHz (ή κεραμικό αντηχητή σε κάποιες παραλλαγές). Ο μικροελεγκτής είνα ι από κατασκευής προγραμματισμένος με ένα bootloader, έτσι ώστε να μην χρειάζεται εξωτερικός προγραμματιστής.
Γενικά ο ι πε ρισσ ότε ρ ες πλακέτες ε ίναι προγραμματισμέν ες μέσω μιας σε ιριακής σύ ν δεση ς RS-232, αλλά ο τρ όπος μ ε τον οπο ίο αυτό υλοπο ι ε ίται πο ι κίλλε ι αν άλογα με την έκδοση. Ο ι σε ιριακές πλα κέτες A rdιιin o πε ριέχουν ένα απλό κύκλω μα αντιστροφή ς για την μετατροπή ανάμεσα στα σήματα των επιπέδων RS-232 και TTL. Οι πλακέτες Α rdιιίηο που κυκλοφορούν σήμε ρα στην αγορά, συμπε ριλαμβανόμενης και τη ς Dίecίmίla, προγραμματίζονται μέσω USB, εφαρμόζοντα ς ένα τσίπ προσαρμογ έα USB-to-seΓial όπως το FTDI FT232. Κάποιες παραλλαγ ές, όπω ς το Ardυino mίηί και το αν επίσημο ΒοaΓdιιίηο, χρησιμοποιούν προσαρμογ έα USB-toserial σε μορ φή πλακέτας ή καλωδ ίου. Το Leonardo δ ιαθ έτε ι εγγ ενή υποστήριξη USB κα ι μπο ρ ε ί να εξο μο ι ώνε ι πλη κτρ ολόγ ιο κα ι ποντίκ ι μέσω αυτή ς. Η πλακέτα του Arduίno έχε ι ε κτε θειμέν ες τις π ε ρισσότερ ες επαφ ές εισόδου/εξόδου για χρήση μ ε άλλα κυκλώματα. Το Diecίmila, για παράδ ε ιγμα, παρ έχε ι 14 ψηφιακές επαφ ές ε ισόδου/εξόδου, από τις οποίες οι 6 μπορούν να παράξουν σήματα PWM (πα λμούς ), κα ι 6 αναλογικές ε ισ ό δου ς. Αυτές οι επαφές ε ίναι διαθ έσιμες στην κορυφή τη ς πλακέτας μ έσω θη λυκών συνδέ σεων μεγέθου ς Ο, 1 ιντσών. Διάφορ ε ς plug-in πλα κέτες εφαρμογών γνωστές σαν "shields" ε ίναι, επίση ς, διαθ έ σιμες στο ε μπόριο. Οι συμβατές με το Arduino πλα κέτες Barebones και Boarduino δ ιαθ έτουν αρσ ενικές επαφ ές στην κάτω πλευρά τη ς πλακέτα ς για να μπορούν να συν δ εθούν με πλακέτες που δ εν χρ ε ιάζονται συγκολλήσ ε ις. Επίσης έχει ανοιχτό λογισμικό και λογισμικό που επ ε κτείνεται και παραμετροποιε ίται. Το s otί:ware του AΓduino διανέμεται με την μορφή εργα λε ίων ανοιχτού λογ ισμικού και ε ίναι διαθ έσιμο προς επέ κταση για έ μπε ιρους προγραμματιστ ές. Η γλώσσα προγραμματισμού του μπορεί να επεκταθ ε ί δ ιαμέσου των βιβ λιοθηκώ ν. την C++ Κ!Χ ι οι άνθρωποι που θ έλουν να ασχοληθούν π ε ρισσότε ρο με του ς μικρο ελεγκτές μποpούν να μεταβούν από τον Ardυino στην Α VR C που ε ίναι για προγραμματισμό των Atmel Μικροελεγκτών και η γλώσσα στην οποία βασίστικε το λογισμικό του Arduίno. Ομοίος μπορ ε ί κάποιος να προσθ έσει κώδικα της Α VR-C στο πρόγραμμα που έχε ι γράψει για τον Ardυino του. Μ ε ρικά πρ οϊόντα που μπορούμε να βρούμε στην αγορά είναι τα εξής: Arduino Boards: Arduino Uno, Arduino Leonardo, Arduino Due, Arduino Esplora Α r d u ί η ο S h ί e 1 d s: Arduino GSM Shield, Arduino Ethernet Shield, Arduino WiFi Shield
Το IDE του Arduino ε ίναι γραμμέ νο σε Java και μπορ ε ί να τρέξε ι σε πολλαπλές πλατφόρμ ες. Περιλαμβάνει επεξεργαστή κώδικα (επεξε ργαστ1ί κε ιμέ νου με διάφορα εύχρηστα εργαλεία) καιμεταγλωττιστής και έχει την ικανότητα να φορτών ε ι εύκολα το πρόγραμμα μ έσω σε ιριακή ς θύρας από τον υπολογιστή στην πλακέ τα. ΘΟ moa BareMinimum 1 Arduino 1.0 r:ι.--. ~ιt::~;,χ. Ω ; ' '- Ι' Τ-1~ "' '' ι.() {, <() { " 1 Ardulno UΙ'Κ) on /deν/tty u1bmod! mfι131 Το περιβάλλον ανάπτυξης είναι βασισμένο στην Processing, ένα περιβάλλον ανάπτυξης σχεδιασμένο να ε ισαγάγει στον προγραμματισμό μη εξοικειωμένους χρήστες με την ανάπτυξη λογισμικού. Η συγκεκριμένη γλώσσα προγραμματισμού προ έ ρχεται από την Wiring, μια γλώσσα που μοιάζει με την C η οποία παρ έχει παρόμοια λειτουργικότητα για μια πιο πε ριορισμένης σχεδίασης πλακέτα, της οποίας το π ε ριβάλλον ανάπτυξης βασίζεται επίσης στην Processing.
1.3 Mobile Robots : Το Mobile Robot ε ίναι μια αυτόματη μηχανή που μπορεί να κινήτε σε οποιαδήποτε γνωστό (δεδομένο) περιβάλλον.'ενα Mobile Robot έχει την ικανότητα να μετακινείται στο περιβάλλον τους και να μην είναι στερεωμένα σε μία φυσική τοποθ ε σία. Σε αντίθ ε ση, τ α βιομηχανικά Robot αποτε λούνται συνήθως από έ να βραχίονα αρμό και τη συναρμολόγηση αρπάγης που ε ίναι συνδεδ ε μένη σε μία σταθερή επιφάνεια. Mobile ρομπότ είναι μια σημαντική εστίαση της τρέχουσας έρευνας και σχεδόν σε κάθε μεγάλο πανεπιστήμιο έχει ένα ή περισσότερα εργαστήρια που επικεντρώνονται στα αυτοκινηνούμενα ρομπότ. Τα Mobile Robot βρίσκονται επίσης στη βιομηχανία και στον στρατό. Υπάρχουν και τα Robot για τους καταναλώτ ε ς τα οποία ικανοποιούν ανάγκες και υπηρ ε σίες όπως ψυχαγωγία και καθήκοντα νοικοκυριού, όπως σκούπισμα με ηλεκτρική σκούπα ή κηπουρικής. Για την πλοήγηση ενός Mobile Robot υπάρχουν διάφορει τρόποι : Πλοήγηση με απομακρησμένη θέση.εδώ ο χειριστής μπορεί να ελέγχει το Robot με την χρήση Joystick ή κάποιας άλλης συσκευής. Η συσκευή μπορεί να συνδεθεί απευθείας στο ρομπότ, μπορεί να είναι ένα ασύρματο χειριστήριο, ή μπορ ε ί να είναι ένα ε ξάρτημα σε ένα ασύρματο υπολογιστή ή άλλο ελεγκτή. Υπάρχουν τα Robot που έχουν την δυνατότητα να ανιχνεύουν και να αποφεύγει αντικίμενα ή εμπόδια. Line-Following είναι Αυτοματοποιημένα Καθοδηγούμενα Οχήματα που ε ίναι συνέχεια των Mobile Robot. Μπορεί να ακολουθήσει μια οπτική γραμμή βαμμένη ή ενσωματωμένη στο δάπεδο ή στην οροφή ή ένα ηλεκτρικό σύρμα στο πάτωμα. Τα περισσότερα από αυτά τα ρομπότ λειτουργούν με μια απλή λογική "να κρατήσει τη γραμμή του αισθητήρα στο κέντρο". Αυτόνομα ρομπότ τυχαίας πορείας. Αυτόνομα ρομπότ με τυχαία κίνηση ουσιαστικά αναπηδουν από εμπόδια, αν ανιχνεύονται εμπόδια. Αυτόνομα ρομπότ καθοδηγείτες.γνωρίζει κάποιες πληροφορίες σχετικά με το πού είναι και πώς να φτάσει σε διάφόρους στόχους ή και σημεία κατά μήκος του. Αυτό επιτυγχάνετε με τον Εντοπισμός ή τη Γνώση της τρέχουσας θέσης του, που υπολογίζεται από ένα ή περισσότερα μέσα, με τη χρήση αισθητήρων, όπως, το όραση, τα λ έ ιζερ και τα παγκόσμια συστήματα εντοπισμού θέση, κ. α.
Συρόμενης αυτονομίας.είναι τα πιο ικανά ρομπότ τα οποία συνδυάζουν πολλαπλά επίπεδα πλοήγησης στο πλαίσιο ενός συστήματος που ονομάζεται συρόμενη αυτονομία.τα περισσότερα αυτόνομα ρομπότ καθοδηγείτες, όπως το ρομπότ νοσοκομείο βοηθητικό, προσφέρουν επίσης μια χειροκίνητη λειτουργία.
Κεφάλαιο 2 : Η Κατασκευή οχήματος για έλεγχο λειτουργιών αυτόνομου οχήματος από θύρα Ethernet του μc 2.1 Ο επεξεργαστής ARDUINO ETHERNET W/POE : Arduino Ethernet Shield επιτρέπε ι σε μια πλακέτα Arduino να συνδεθεί στο Internet. Βασίζεται στην Wiznet WS 100 τσιπ ethernet παρέχοντας ένα δίκτυο (ΙΡ) ικανό να συνδεθεί με TCP και UDP. Το Arduino Ethernet Shield υποστηρίζει έως και τέσσερις ταυτόχρονες συνδέσεις. Χρησιμοποιήστε τη βιβλιοθήκη Ethernet για να γράψει σκίτσα τα οποία συνδέονται με το διαδίκτυο μέσω ενός τυπικού RJ45 Ethernetjack χρησιμοποιώντα ς το Shield.
Η τελευταία αναθεώρηση της ασπίδας προσθέτει μια micro-sd υποδοχή κάρτας, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση αρχείων για την εξυπηρέτηση μέσω του δικτύου. Είναι συμβατό με το Arduino Uno και Mega (χρησιμοποιώντας τη βιβλιοθήκη Ethernet). Ο Arduino επικοινωνεί τόσο με την W5100 και SD κάρτα με SPI bus (μέσα από την επικεφαλίδα ICSP). Πρόκειται για τα ψηφιακά πινάκια 11, 12 και 13 σχετικά με την Duemilanoνe και τα πινάκια 50, 51, και 52 στο Mega. Και στις δύο πλακέτες, τα πινάκια 1 Ο χρησιμοποιείται για να επιλέξετε την W5 l 00 και το ΡΙΝ 4 για την κάρτα SD. Αυτοί τα πινάκια δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για γενική είσοδο,έξοδο. Στον Mega,τo SS pin, 53, δεν χρησιμοποιείται για την επιλογή του W5100 ή την κάρτα SD, αλλά πρέπει να τηρείται ως έξοδος αλλιώς το interface SPI δεν θα λειτουργήσει. Επειδή η W5100 και η SD κάρτα μοιράζονται το SPI bus, μόνο ένα μπορεί να είναι ενεργό κάθε φορά. Αν χρησιμοποιείτε δύο περιφερειακά στο πρόγραμμά, αυτό θα πρέπει να ληφθεί μέριμνα από τις αντίστοιχες βιβλιοθήκες 2.1.1 Εισόδοι/Εξόδοι Καταρχήν το Arduino διαθέτει σειριακό interface. Ο μικροελεγκτής Α Tmega υποστηρίζει σειριακή επικοινωνία, την οποία το Arduino προωθεί μέσα από έναν ελεγκτή Serial-oνer-USB ώστε να συνδέεται με τον υπολογιστή μέσω USB. Η σύνδεση αυτή χρησιμοποιείται για την μεταφορά των προγραμμάτων που σχεδιάζονται από τον υπολογιστή στο Arduino αλλά και για αμφίδρομη επικοινωνία του Arduino με τον υπολογιστή μέσα από το πρόγραμμα την ώρα που εκτελε ίται. ρίη ψηφιακής ιισόδοu Ο 1 ι----- ρίη ψηφιακής ιισόδοu/ιξόδοu 8 13 ρίη αναλογικής ιισόδοu 0 5 Θύρα USB Ρυθμιστής ι------ τάσης ρ ί η τροφοδοσίας (R~t. 3.3V. SV, GND, \ιj,.) Εξωτιρική τροφοδοσία Επιπλέον, στην πάνω πλευ ρά του Arduino βρίσκονται 14 θηλυκά pin, αριθμημένα από Ο ως 13, που μπορούν να λειτουργήσουν ως ψηφιακές είσοδο ι και έξοδο ι. Λ ε ιτουργούν στα 5V και καθένα μπορ ε ί να παρέχει ή να δεχτεί το πολύ 40mA. Ω ς ψηφιακή έξοδος, ένα από αυτά τα pin μπορεί να τεθεί από το πρόγραμμά σας σε
κατάσταση HIGH ή LOW, οπότε το Arduino θα ξέ ρ ε ι αν πρ έπε ι να δ ιοχετεύσε ι ή όχι ρ εύμα στο συγκε κριμένο pίη. Με αυτόν τον τρόπο μπορ ε ίτε λόγου χάρη να ανάψ ετε και να σβήσε τε ένα LED που έχετε συνδ έ σε ι στο συγκε κριμέ νο pin. Αν πάλι ρυθμίσετε ένα από αυτά τα pin ω ς ψηφιακή ε ίσο δ ο μέσα από το πρόγραμμά σα ς, μπορ ε ίτε με την κατάλληλη εντολή να διαβάσετε την κατάστασή του (HIGH ή LOW) ανάλογα με το αν η εξ ωτερική συσκευή που έχετε συνδ έ σε ι σ ε αυτό το pin δ ιοχετεύ ε ι ή όχι ρ εύμα στο pin (με αυτόν τον τρόπο λόγου χάρη μπορ ε ίτε να «δ ιαβάζ ετε» την κατάσταση ενός διακόπτη). Μ ε ρικά από αυτά τα 14 pin, εκτό ς από ψηφιακές ε ίσοδοι/έξ ο δ οι έχουν και δ εύτε ρη λε ιτουργία. Συγκε κριμένα: Τα pin Ο και 1 λε ιτουργούν ως RX και ΤΧ της σ ε ιριακής όταν το πρόγραμμά σας εν ε ργοποιε ί την σε ιριακή θύρα. Έ τσι, όταν λόγου χάρη το πρόγραμμά σα ς στέλνε ι δ εδομένα στην σε ιριακή, αυτά προωθούνται και στην θύρα USB μέσω του ε λεγκτή Seri al-oνer-usb αλλά και στο pin Ο για να τα διαβάσε ι ενδεχομ ένως μια άλλη συσκευή (π. χ. ένα δ εύτερο Arduino στο δικό του pin 1 ). Αυτό φυσικά σημαίνε ι ότι αν στο πρόγραμμά σας ενεργοποηίσετε το σε ιριακό interface, χάνετε 2 ψηφιακές εισόδους/εξόδους. Τα pin 2 και 3 λειτουργούν και ως εξωτερικά interrupt (interrupt Ο και 1 αντίστοιχα). Μ ε άλλα λόγια, μπορ ε ίτε να τα ρυθμίσετε μέσα από το πρόγραμμά σα ς ώστε να λε ιτουργούν αποκλε ιστικά ως ψηφιακές είσοδοι στις οποίες όταν συμβαίνουν συγκε κριμένες αλλαγές, η κανονική ροή του προγράμματος σταματάε ι * άμεσα * και ε κτελε ίται. μια ςruγκε κριμένη συνάρτηση. Τα εξωτε ρικά interrupt ε ίναι ιδιαίτερα χρήσιμα σε εφαρμογέ ς που απαιτούν συγχρονισμό μεγάλης ακρίβ ε ιας. Τα pin 3, 5, 6, 9, 1 Ο και 11 μπορούν να λειτουργήσουν και ως ψ ευδοαναλογικές έξ οδοι με το σύστημα PWM (Pulse Width Modulation), δηλαδή το ίδιο σύστημα που διαθ έτουν οι μητρικές των υπολογιστών για να ελέγχουν τις ταχύτητες των ανε μιστήρων. Έτσι, μπορ είτε να συνδέσε τε λόγου χάρη ένα LED σε κάποιο από αυτά τα pin και να ελέγξετε πλήρως την φωτεινότητά του με ανάλυση 8bit (256 καταστάσε ις από Ο-σβηστό ως 255-πλήρως αναμμένο) αντί να έχετε απλά την δυνατότητα αναμμένο-σβηστό που παρ έχουν οι υπόλοιπές ψηφιακές έξοδοι. Είναι σημαντικό να καταλάβετε ότι το PWM δεν είναι πραγματικά αναλογικό σύστημα και ότι θ έτοντας στην έξοδο την τιμή 127, δεν σημαίνει ότι η έξοδος θα δίνε ι 2.5V αντί της κανονικής τιμής των 5V, αλλά ότι θα δίνει ένα παλμό που θα εναλλάσσεται με μεγάλη συχνότητα και για ίσους χρόνους μεταξύ των τιμών Ο και 5V. Στην κάτω πλευρά του Arduino, με τη σήμανση ANALOG ΙΝ, θα βρ είτε μια ακόμη σε ιρά από 6 pin, αριθμημένα από το Ο ως το 5. Το καθένα από αυτά λειτουργε ί αναλογική είσοδος κάνοντας χρήση του ADC (Analog to Digital Conνerter) που ε ίναι ενσωματωμένο στον μικρο ελεγκτή. Για παράδειγμα, μπορείτε να τροφοδοτήσετε ένα από αυτά με μια τάση την οποία μπορείτε να κυμάνετε με ένα ποτενσιόμετρο από ον ως μια τάση αναφοράς Vref η οποία, αν δεν κάνετε κάποια αλλαγή είναι προρυθμισμένη στα 5V. Τότε, μέσα από το πρόγραμμά σας μπορ ε ίτε να «διαβάσετε» ως
την τιμή του pin ως ένα ακέραιο αριθμό ανάλυσης 10-bit, από Ο (όταν η τάση στο pin είναι OV) μέχρ ι 1023 (όταν η τάση στο pin είναι 5V). Η τάση αναφοράς μπορ εί να ρυθμιστεί μ ε μια εντολή στο 1. 1 V, ή σε όποια τάση επιθυμε ίτε (μεταξύ 2 και 5V) τροφοδοτώντας εξωτερικά με αυτή την τάση το pin με την σήμανση AREF που βρίσκ εται στην απέναντι πλευρά της πλακέτας. Έτσι, αν τροφοδοτήσετε το pin AREF με 3.3V και στην συνέχεια δοκιμάσετε να διαβάσετε κάποιο pin αναλογικής εισόδου στο οποίο εφαρμόζετε τάση l.65v, το Arduino θα σας επιστρέψ ε ι την τιμή 512. Τέλος, καθένα από τα 6 αυτά pin, με κατάλληλη εντολή μέσα από το πρόγραμμα μπορεί να μετατραπεί σε ψηφιακό pin εισόδου/εξόδου όπως τα 14 που βρίσκονται στην απέναντι πλευρά και τα οποία περιγράφηκαν πριν. Σε αυτή την περίπτωση τα pin μετονομάζονται από 0-5 σε 14-19 αντίστοιχα. 2.1.2 Τροφοδοσία Το Arduino μπορ εί να τροφοδοτηθ ε ί με ρ εύ μα είτε από τον υπολογιστή μέσω τη ς σύνδεσης USB, ε ίτε από εξω τερική τροφοδοσία που παρ έχεται μέσω μιας υποδοχιίς φις των 2.1 ιηm (θετικός πόλος στο κέντρο) και βρίσκεται στην κάτω - αριστερή γωνία του Arduino.
Για να μην υπάρχουν προβλήματα, η εξω τ ερική τροφοδοσία πρέπει να είναι από 7 ως Ι 2V και μπορεί να προ έρχεται από ένα κοινό μετασχηματιστή του εμπορίου, από μπαταρίες ή οποιαδήποτε άλλη πηγή DC. Δίπλα από τα pin αναλογικής εισόδου, υπάρχει μια ακόμα συστοιχία από 6 pin μ ε την σήμανση POWER. Η λειτουργία του καθενός έχε ι ως εξής : Το πρώτο, με την ένδειξη RESET, όταν γειωθεί (σε οποιοδήποτε από τα 3 pin με την ένδειξη GND που υπάρχουν στο Arduino) έχει ως αποτέλεσμα την επανεκκίνηση του Arduino. Το δεύτερο, με την ένδειξη 3.3V, μπορεί να τροφοδοτήσει τα εξαρτήματά σας με τάση 3.3V. Η τάση αυτή δεν προ έρχετα ι από την εξωτε ρική τροφοδοσία αλλά παράγεται από τον ελεγκτή Serial-oνer-USB και έ τσι η μέγ ιστη ένταση που μπορ εί να παρέχει είναι μόλις 501ηΑ. Το τρίτο, με την ένδε ιξη 5V, μπορεί να τροφοδοτήσ ει τα εξαρτήματά σας με τάση 5V. Ανάλογα με τον τρόπο τροφοδοσίας του ίδιου του Arduino, η τάση αυτή προέρχεται είτε άμεσα από την θύρα USB (που ούτως ή άλλως λειτουργεί στα 5V), είτε από την εξωτερ ική τροφοδοσία αφού αυτή περάσει από ένα ρυθμιστή τάση ς για να την «φέρει» στα 5V. Το τέταρτο και το πέμπτο pin, με την ένδειξη GND, ε ίναι φυσικά γειώσεις. Το έκτο και τελευταίο pin, με την ένδε ιξη Vin έχει διπλό ρόλο. Σε συνδυασμό με το pin γείωσης δίπλα του, μπορεί να λειτουργήσει ως μέθοδος εξωτερικής τροφοδοσία ς του Arduino, στην περίπτωση που δεν σας βολεύει να χρησιμοποιήσετε την υποδοχή του φις των 2. 1 mιη. Αν όμως έχετε ήδη συνδεδεμένη εξωτερ ική τροφοδοσία μέσω
του φις, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτό το pin για να τροφο δοτήσετε εξαρτιίματα με την πλήρη τάση τη ς εξω τερικής τροφοδοσίας (7~ 12V), πριν αυτή περάσει από τον ρυθμιστή τάσης όπως γίν εται μ ε το pin των 5V. 2.1.3 Γλώσσα προγραμματισμού Αrdιιίηο IDE και σύνδεση με τον υπολογιστή Το Arduino IDE ε ίναι βασισμ ένο σε Jaνa και συγκεκριμένα παρ έχε ι: έ να πρακτικό περιβάλλον για την συγγραφή των προγραμμάτων σας (τα οποία ονομάζονται sketch στην ορολογία του Arduino) με συντακτική χρωματική σήμανση, αρκετά έτοιμα παραδείγματα, με ρικές έτοιμες βιβλιοθήκες για προέκταση της γλώσσας και για να χε ιρίζεστε εύκολα μέσα από τον κώδικά σας τα εξαρτήματα που συνδ έετε στο Arduino, τον compiler για την μεταγλώττιση των sketch σας, ένα serial monitor που παρακολουθεί τις επικοινωνίες της σειριακής (USB), αναλαμβάνει να στε ίλει αλφαριθμητικά της επιλογής σας στο Arduino μέσω αυτής και είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για το debugging των sketch σας και την επιλογή να α~εβάσετε το μεταγλωττισμένο sketch στο Arduino. Η γλώσσα του Arduino βασίζεται στη γλώσσα Wiring, μια παραλλαγή C/C++ για μικροελεγκτές αρχιτεκτονικής Α VR όπως ο ATmega, και υποστηρίζει όλες τις βασικές δομές της C καθώ ς και μερικά χαρακτηριστικά της C++. Για compiler χρησιμοποιείται ο Α VR gcc και ως βασική βιβλιοθήκη C χρησιμοποιείται η AVR Jibc. Λόγω της καταγωγής της από την C, στην γλώσσα του Arduino μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ουσιαστικά τις ίδιες βασικές εντολές και συναρτήσεις, με την ίδια σύνταξη, τους ίδιους τύπων δεδομένων και τους ίδιους τελεστές όπως και στην C. Πέρα από αυτές όμως, υπάρχουν κάποιες ειδικές εντολές, συναρτήσεις και σταθερές που βοηθούν για την διαχείριση του ειδικού hardware του Arduino.
Όρισμα Είδος Τύπος LOW Σταθ ε ρά int HIGH Σταθ ε ρά int Παράμετροι Περιγραφή Έχει την τιμή Ο και ε ίναι αντίστοιχη του λογικού fal se. Έχε ι την τιμή 1 και ε ίναι αντίστοιχη του λογικού trιιe. Σταθ ε ρά int Έχε ι την τιμή Ο και ε ίναι αντίστοιχη του λογικού false. OUTPUT Σταθ ε ρά int Έχει την τιμή 1 και ε ίναι αντίστοιχη του λογικού true. Καθορίζει αν το συγκε κριμ ένο ψηφιακό pίn θα είναι pin pinmode Εντολή (pίn, mode) εισόδου ή pin εξόδου ανάλογα με την τιμή που δίνεται στην παράμετροmοde (INPUT ή OUTPUT αντίστοιχα). digitalwrite Εντολή (pίn,pίnstatus) Θέτει την κατάσταση (HIGH 11 LOW) στο ψηφιακό pίn. Επιστρέφει την κατάσταση του digitalread Συνάρτη ση int (pίn) συγκεκριμένου ψηφιακού pίn (Ο για LOW και 1 για HIGH) εφόσον αυτό είναι pin εισόδου. Δέχεται τις τιμές- DEF AUL Τ, INTERNAL ή EXTERNAL analogreferen ce Εντολή (type) στην παράμετρο type για να καθορίσει την τάση αναφοράς (Vrer) των αναλογικών εισόδων (5V, 1.1 V ή η εξωτερική τάση με την οποία τροφοδοτείται το pin AREF αντίστοιχα) analogread Συνάρτη ση int (pίn) Επιστρέφει έναν ακέραιο από Ο - 1023,ανάλογα με την τάση που τροφοδοτείται το pίn αναλογικής εισόδου στην κλίμακα ο ως ν ref Θέτει το συγκεκριμένο analogwrite Εντολή (pίn, value) ψηφιακό pίn σε ψευδο-αναλογικής (PWM). κατάσταση εξόδου Επιπλέον, στην γλώσσα του Arduino κάθε πρόγραμμα αποτελείται από δύο βασικές ρουτίνες ώστε να έχει την γενική δομή:
νοίd setup() νoid Ioop() Η βασική ρουτίνα setup() εκτελε ίται μια φορά μόνο κατά την ε κκίνηση του προγράμματος ενώ η βασικ11 ρουτίνα loop() πε ριέχει τον βασικό κορμό του προγράμματος και η ε κτέ λεσή της επαναλαμβάνεται συνέχεια σαν ένας βρόγχο ς while(true).
2.2 Αισθητήρια: Για την αναγνώριση γραμμής χρησιμοποιούμε 4 αισθητήρια QRE 1113 Line Sensor Breakout-Analog : Ο ~ισθητήρας QREl Ι 13 της πλακέτας αποτελείται από δύο μέρη - ένα LED υπ~ρυθρου φώτος και ένα φωτοτρανζίστορ ευαίσθητο σε υπέρυθρους. Οταν παρέχετε ρε~μα στα pins του VCC και GND το υπέρυθρο LED στο εσωτερικό του αισθητήρα θα αvαψει Μ ια αvτισταση 100Ω ειvαι επι της π λ ακετας ' τοπο θ ετειται ' σε σειρα ' με το ι ED ωστε ' ~~ rι:εριορίσει την κατανάλωση ρεύματος. 'Ενας αντιστάτης 10kΩ φέρνει το pin εξόδου στη. εση high, αλλά όταν το φως από το LED ανακλάται πίσω πάνω στο φωτοτρανζίστορ η εξοδος θα α ' β ' ' θ φ ' ' φ ρχισει να κατε αινει. Οσο περισσοτερο υπερυ ρο ως ανιχνευεται απο το Α ωτο~pανζίστορ, τόσο χαμηλότερη είναι η τάση εξόδου του breakout board. υτοι οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως σε ρομπότ σχεδιασμένα να αιc?λ 0 υθούν γραμμές - λευκές επιφάνειες αντανακλούν πολύ περισσότερο φως από μαυρο ε' λ ' ξ 'δ θ, τσι, οταν κατευθύνονται προς μια ευκη επιφανεια, η ταση ε ο ου α ειναι Χαμηλότερη από ότι σε μια μαύρη επιφάνεια.
Και ένα usb to serial FTDI Basic Breakout - 3.3 : Είναι ένας αντάπτορας για την επ~κοινωνία FT~I FT232RL USB to seήa\ IC. Μπορεί επίσης να χpησ,ιμοποιη~ει για τις :ενικ,ες τ~ηματι,κές εφαρμογές. Η σημαντικότερη διαφορ~ με αυτον το πιν ει~αι οτι φερνει εξω την ακίδα DTR σε αντιδιαστολή με την ακιδα RTS του καλωδιου FTDI. Η ακίδα DTR επιτρέπει έναν στόχο Arduino για να αυτόματα-επαναρυθμίσει πότε ένα μια εικόνα μεταφορτώνεται.
2.3 Κινητήρες Για την κίνηση του οχήματος επ ιλέξα μ ε 2 Serνo SpringRC SM-S43 l 5M l 3kglcιη Ε ίναι 2 αναλογικοί σερβοκινητήρες με μέγ ιστη γωνία περ ιστροφή ς 120 ( ± 60 ),τάση DC 4.8V-6V, ταχύτητα 0.21 sec/60 στα 4.8V και Ο. 17 sec/6 0 στα 6V,μέγεθος 41.3χ20.7χ401ηιη
2.4 Κατασκευή : Σ κοπό ς ε ίναι το όχημα να ε κτελεί μια προκαθορισμένη διαδρομή και να μην βγαίνε ι ποτ έ ε κτός πορ ε ίας έως ότου αυτή ολοκληρωθ ε ί Για την κατασκευή χρησιμοποιήσαμε ένα όχημα στο οποίο τοποθ ετήσαμε την πλακέτα Arduino τα αισθητήρια και τα σέρβο μοτέρ. Πρώτο βήμα ήταν η τοποθέτηση των line tracker sensor.! ) ~ Η τοποθέτηση τους έγινε στις 4 γωνίες του εμπρός και πίσω τμήματος του οχήματος για την καλύτερη απόδοση των αισθητηρίων.
Στη συνέχε ια ε ισάγουμ ε την πλακέτα Arduino : Και την σύνδεση των αισθητηρίων.
ΤΕΙ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ ΠΕΙΡΑIΑ
Κεφάλαιο 3: Εξέλιξη και βελτιστοποίηση Mobile Robots Η Ρομποτική είναι ένας κλάδος της τεχνολογίας που συνεχώς αναβαθμίζεται και εξελίσσεται. Μερικοί λόγοι της εξέλιξης της ρομποτικής είναι η γενική πρόοδος της τεχνολογίας και ότι όλο και περισσότεροι άνθρωποι έχουν πρόσβαση ή βρίσκονται στον χώρο της ρομποτικής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο καθένας από αυτούς να έχει να δώσει στην ρομποτική μία δικιά του ιδέα ή εφαρμογή. Έτσι καθημερινός γεννιούνται νέες εφαρμογές για τη σύγχρονη ρομποτική. Όλοι οι παραπάνω λόγοι δίνουν και στο δικό μας ρομπότ αρκετά περιθώρια βελτίωσης και μερικά από αυτά παραθέτονται παρακάτω. 3.1 Αισθητήριο Υπέρηχων : Προσθήκη αισθητήρα υπέρηχων για τον υπολογισμό απόστασης. Οι αισθητήρες υπερήχων λειτουργούν με την ίδια αρχή που λειτουργούν τα ραντάρ και τα σόναρ. Εκτιμούν την απόσταση ενός στόχου λαμβάνοντας υπόψη τους την αντανάκλαση ενός ραδιοκύματος ή ενός ηχητικού σήματος πάνω στο στόχο. Δημιουργούν υψηλής συχνότητας κύματα και χρησιμοποιώντας το επιστρεφόμενο σήμα καθορίζουν την απόσταση ή ακόμα και την ταχύτητα του στόχου. Για να το επιτύχουν αυτό χρησιμοποιούν τον χρόνο που έκανε το σήμα για να καλύψει την απόσταση από τον αισθητήρα στο αντικείμενο και πίσω.
3.2 Ηλιακός Συλλέκτης : Μια πολύ ουσιαστική βελτίωση που θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί στο όχημα μας ε ίναι η προσθήκη ηλιακού συλλέ κτη. Η προσθήκη αυτή θα δώσε ι πε ρεταίρω αυτονομία στο όχημα. Πιο συγκεκριμένα προσθ έτοντας τους ηλιακούς συ λλέ κτες πέραν του ότι το όχημα μας θα λειτουργεί χωρίς να χρειάζεται φόρτιση των μπαταριών του θα έχουμε ταυτόχρονα και άλλα οφ έλη. Τα πιο σημαντικά από αυτά ε ίναι η εξοικονόμηση ενέ ργειας και χρημάτων, λόγω του ότι όσο ποιο αραιά θα γίνεται η φόρτιση των μπαταριών τόσο αυξάνεται και η διάρκε ια ζωή ς του ς. με την προσθήκη αυτή έχουμε και οικολογικά οφ έλη Επίση ς
3.3 με AVR: Ένας ενναλακτικός τρόπος για την κατασ ευή του οχήματος ε ίναι αντί για μ Ε Arduino να χρησιμοποιήσουμ ε μ Ε Α VR. Και σε αυτή την π ε ρίπτωση έχουμε να διαλέξουμε ανάμ εσα σε διάφορου ς μ Ε ανάλογα μ ε τις ανάγκ ε ς έχουμε διάφορους τύπου ς να διαλέξουμε (Atmega 8, 16,32, 328). 3.4 Οθόνη Lcd : Η προσθήκη οθόνης Lcd ε ίναι μια πολύ καλή β ε λτιστοποίηση για το όχημα μας για τον λόγο ότι μπορούμε να δούμε σε απε ικόνιση μετρήσεις (όπως μ έτρηση θ ε ρμοκρασία ς, υγρασία ς ) αλλά και για προβολή των ρυθμίσ ε ων και λειτουργιών.
3.5 Προσθήκη Κάμερας : Θα μπορούσαμε να αντικαταστήσουμε τους Line Tracker Sensor με κάμ ερα. προσθήκη αυτή είναι χρήσιμη γιατί θα δίνει στο χρήστη την εικόνα του πε ριβάλλοντο ς στο οποίο βρίσκεται το ρομπότ. Αυτό θα έ χει άμεση εφαρμογή σε μέρη στα οποία ε ίναι απαγορευμένη ή δυσπρόσιτη για τον άνθρωπο. Η
Κεφάλαιο 4: Πηγές/Διευθύνσεις Διαδικτύου http://www.explorecrete.coιn/mythology/gr-talos.htιnl 2 http://el.wikipedia.org/wiki 3 http://www.oikade.gr/children/techno logy/robot/istoria-twn-robot/ 4 http://filaderlis.blogspot.gr/2007 /05/l inux-windows.htιnl 5 http://www.akouseto.gr/eisagogi-sto-arduino 6 http://www.microplanet.gr/tutorials/ιni crocontrollers/ arduino 7 http://deltahacker.gr/2009/08/0 l/arduino-intro/ 8 http://el.wikipedia.org/wiki/ Arduino# 9 http ://νννννν. pa lo.gr /sea rch/?kwd=%ce%a3%ce%95%ce%ce%9a%ce %99 1 Ο http://www.robot-electronics.eo.uk/htm/srfό5tech.htm 11 http://remaliaclub.gr/forum/showthread.php?t=l230 12 www.parallax.com