آموزش ساخت ربات امدادگر جونیور (مسیریاب پیشرفته)

ربات مسیریاب پیشرفته

لیگ ربات های امدادگر جونیور، یکی از بخش های ربوکاپ و مخصوص دانش آموزان زیر 18 سال است. ساخت روبات های امدادگر جونیور، به علت سادگی ساختار، برای دانش آموزان مبتدی بسیار آموزنده و جذاب است. این ربات در برگیرنده تمام بخش های یک روبات پیشرفته، شامل بخش های مکانیکی (شاسی و گیربکس)، حسگرها (اعم از مادون قرمز و میکروسوئیچ)، موتورهای DC، بخش کنترلری (میکروکنترلر) و بخش الکترونیکی (برد مدار چاپی) می باشد. در ادامه نحوه ساخت ربات امدادگر جونیور یا همان ربات مسیریاب پیشرفته را توضیح می دهیم.

محیط مسابقات ربات های امدادگر جونیور، ماژولار (Modular) است که هر کدام از این ماژول ها را می توان به عنوان اتاقی در داخل یک ساختمان در نظر گرفت. ماژول ها در صورت غیر هم سطح بودن، توسط یک شیب به یکدیگر متصل می شوند. برای هر اتاق، دو در تعبیه شده است که ربات از یک در وارد و از در دیگر خارج می شود. کف زمین مسابقه معمولا از MDF سفید رنگ و دیواره اتاق ها نیز از چوپ، شیشه و … ساخته می شود، در کف زمین مسابقه با چسب برق (لنت سیاه رنگ) خطوطی کشیده شده است و روی این خطوط تعدادی مصدوم (Victim) با رنگ ها مختلف قرار گرفته اند که روبات باید آن ها را شناسایی کند.

تغذیه ربات

یکی از عوامل مهم در انتخاب باتری برای ربات ها توجه به میزان ظرفیت بالا (آمپرساعت) و در عین حال وزن پایین باتری است. از اینرو تصمیم گرفته ایم برای تغذیه این ربات از باتری های تبلت استفاده کنیم. باتری تبلت ها از جنس لیتیومی بوده و هر باتری دارای سطح ولتاژ 3.7 ولت با ظرفیت های (آمپر ساعت) مختلف در بازار موجود است. معمولا باتری های لیتیومی در ساخت ربات ها بسیار مرسوم است چراکه دارای وزن کم و ابعاد کوچک هستند و در عین حال ظرفیت بالایی دارند.

همانطور که ذکر شد ولتاژ هر باتری لیتیومی 3.7 ولت است و ولتاژ مورد نیاز ما برای راه اندازی ربات 12 ولت می باشد، به همین جهت نیاز است تا با سری کردن سه عدد باتری لیتیومی تبلت با ولتاژ 3.7 ولت و ظرفیت جریان دهی 3000 میلی آمپر ساعت، یک منبع تغذیه با ولتاژ 12 ولت و ظرفیت 3000 میلی آمپر ساعت بسازیم. در تصویر زیر نمونه ای از باتری های به کار رفته در ربات را که به صورت سری بسته شده اند را می توانید مشاهده کنید.

 

حسگرهای تشخیص خط سیاه در زمینه سفید و مصدومان

در ساخت این ربات برای تشخیص خط سیاه در زمینه سفید و همچنین تشخیص مصدومان از حسگر CNY70 استفاده شده است. سنسور CNY70، یک گیرنده و فرستنده امواج مادون قرمز است و در روبات های تعقیب خط برای تشخیص رنگ سیاه و سفید کاربرد دارد. اندازه سنسور CNY70 بسیار کوچک است و قیمت نسبتا مناسبی دارد. این حسگر، که به صورت بسته های آماده در بازار موجود است، از حسگرهای خوب و پر کاربرد است. فرستنده این حسگر ها آبی رنگ و گیرنده آن ها سفید رنگ می باشد.

این سنسور زمانی بهترین عملکرد را دارد که فاصله اش از زمین 3 میلی متر باشد. این حسگر، چهار پایه دارد که دو پایه از آنها به GND و دو پایه دیگر با مقاومت های 220 اهم برای فرستنده و 10 کیلو اهم برای گیرنده به VCC وصل می شوند. گیرنده این سنسور یک فتوترانزیستور است و به همین دلیل، سرعت زیادی ندارد و برای روبات های تعقیب خط چندان مناسب ، با وجود این چون دقت بالایی دارد، برای روبات های امدادگر جونیور (Junior Rescue Robots) که به جزء مسیریابی وظیفه تشخیص مصدومان را نیز به عهده دارند بسیار مناسب است. تصویر زیر نحوه چیدمان سنسورهای CNY70 را بر روی برد مدار چاپی نشان می دهد.

 

میکروسوئیچ ها و تشخیص موانع

از جمله کاربردهای میکروسوئیچ، توقف ناگهانی ربات است. به محض فشار دادن اهرم این حسگر، یکی از پایه ها بر حسب نحوه قرار گرفتنش در مدار، صفر یا یک می شود. این ربات علاوه بر حسگرهای نوری که زیر آن تعبیه شده اند، به چهار کلید فشاری مجهز است که برخورد با دیواره ها و موانع را مشخص می کنند. دو کلید فشاری در دو سمت راست و چپ و دو کلید دیگر جلوی بدنه روبات قرار می گیرند. با توجه به اینکه کدام یک از میکروسوئیچ ها به مانع برخورد می کند، به موتورها فرمان داده می شود که کمی به سمت راست بچرخند، کمی به طور مستقیم حرکت کنند و سپس کمی به سمت چپ بچرخند. چنانچه روبات دوباره به مانع برخورد کند، همین مراحل تکرار خواهند شد. مدت زمانیکه ربات باید بچرخد یا مستقیم حرکت کند، به طور کامل به ساختار ربات و موتورهای آن بستگی دارد.

 

حسگرهای اولتراسونیک و تشخیص دیواره

در سنسورهای اولتراسونیک، امواج فراصوت (اولتراسونیک) منتشر می شوند و بر اساس امواج منعکس شده می توان محیط را تشخیص داد. هر چه فاصله بیشتر باشد، طول زمان برگشت اموج، بیشتر خواهد بود. سنسورهای اولتراسونیک از دو سونار تشکیل شده اند که روی یک برد الکترونیکی، شامل مدارات فرستنده و گیرنده امواج فراصوت، نصب شده اند. یکی از سونارها برای فرستادن امواج فراصوت و دیگری برای دریافت آن ها استفاده می شود. سونار وسیله ای است که می تواند پالس های الکترونیکی را به صوت و یا بلعکس امواج صوتی را به پالس های الکتریکی تبدیل کند.

نحوه عملکرد حسگر اولتراسونیک به این صورت است که ابتدا میکروکنترلر به یکی از سونارها (سنسور فرستنده) فرمان ارسال امواجی را می دهد که در محدوده شنوایی انسان نیستند. سپس محاسبه زمان در تایمر میکروکنترلر شروع می شود و هنگامی که امواج ساطع شده بازگشتند، توسط سونار دیگر (سنسور گیرنده) دریافت می گردند و محاسبه زمان قطع می شود. با زمان محاسبه شده و سرعت صوت می توان فاصله را به دست آورد، و یا در تعریف دیگر یک فاصله سنج ساخت.

سرعت صوت در هوا 343 متر بر ثانیه و تا حدی به رطوبت و دمای محیط نیز بستگی دارد. سرعت صوت در آب نمک 1500 متر بر ثانیه و در آب خالص 1435 متر بر ثانیه است. برای مثال فرض کنید که سونار، امواج صوتی را به جسم ناشناس فرستاده است و صوت این فاصله را دو بار طی کرده است. حال اگر میکروکنترلر زمان 0.035 ثانیه را ثبت کرده باشد، فاصله جسم تا ربات برابر خواهد بود با حاصل ضرب سرعت صوت در هوا (343) در مدت زمان محاسبه شده توسط میکروکنترلر تا زمان برگشت امواج (0.035)  و در نهایت نتیجه حاصل ضرب بر عدد دو تقسیم می شود.

توجه : حسگرهای اولتراسونیک دارای یک مقدار پیشینه و یک مقدار کمینه می باشند. اگر فاصله زیاد باشد، امواج پخش می شوند و گیرنده آنها را نمی تواند دریافت کند و بلعکس اگر فاصله بسیار نزدیک باشد، کار انعکاس به سرعت انجام می شود و وسایل الکترونیکی و یا پردازشگرها نمی توانند با این سرعت کار کنند.

سیستم اعلام پیدا کردن مصدوم

طبق قوانین مسابقات، زمانیکه ربات، مصدوم را تشخیص می دهد، باید چند ثانیه روی آن بایستد و یک لامپ ال ای دی (LED) که از قبل برای داور مشخص شده است، شروع به چشمک زدن کند. بدین منظور در هنگام طراحی و ساخت این ربات امدادگر یک بوق (Buzzer) و یک لامپ LED بر روی برد اصلی ربات تعبیه شده است که بلافاصله بعد از تشخیص مصدوم توسط ربات تا چند ثانیه فعال می شوند.

 

مدار راه اندازی موتورها

در طراحی این ربات برای راه اندازی و کنترل سرعت چرخش موتورها از تراشه L293D استفاده شده است. این تراشه به عنوان یک راه انداز (Driver) در ربات هایی با اندازه کوچک کاربرد دارد. و دو مدار پل H را در خود جای داده است. هر کدام از این مدارها می توانند برای راه اندازی یک موتور استفاده شوند. شکل زیر ساختار این تراشه را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می کنید، هر سمت از این تراشه برای راه اندازی یک موتور و تغییر جهت آن استفاده می شود. این تراشه می تواند جریان 600 میلی آمپر را به صورت پیوسته و جریان 1200 میلی آمپر را به صورت لحظه ای تحمل کند.

 

پایه های Input1 و Input2 به یک ولتاژ منطقی وصل می شوند که هر کدام دارای دو حالت صفر و یک است. خروجی های Output1 و Output2 با توجه به نحوه ولتاژ اعمالی به این ورودی ها، ولتاژ مثبت یا منفی خواهند داشت. به این ترتیب موتور، بسته به ورودی ها، می تواند در جهت ساعتگرد یا پادساعتگرد بچرخد.

پایه ای به نام Enable نیز وجود دارد (که در برخی موارد Chip Inhibit نیز گفته می شود) در صورت یک بود این پایه، پایه ها فعال می شوند و با صفر شدنش، پایه های آن سمت از تراشه غیر فعال خواهد بود. جدول زیر نحوه عملکرد موتور را در حالت های مختلف ورودی های INPUT1 و INPUT2 نشان می دهد. همچنین برای کنترل سرعت موتور با استفاده از PWM، کافی است پالس PWM مورد نظر را به پایه Enable تراشه وصل کنید و پایه های INPUT1 و INPUT2 را نیز برای تعیین جهت چرخش موتور به کار ببرید.

شیوه ساخت و مونتاژ ربات

مجموعه آموزشی پیش روی شما، شامل چهار جلسه ویدئو آموزشی می باشد که توضیحات هر جلسه در ادامه ذکر شده است، ویدیوهای آموزشی به شیوه ای ساخته شده اند که شما را قدم به قدم از مرحله مونتاژ تا راه اندازی ربات راهنمایی می کند. همچنین لازم به ذکر است، تمامی مستندات لازم برای ساخت پروژه ربات امدادگر جونیور یا همان مسیریاب پیشرفته، نظیر فایل برنامه نویسی میکروکنترلر ATmega32 به زبان بیسیک در نرم افزار BASCOM AVR ، نقشه مدار چاپی یا PCB مدار (هم به صورت خروجی PDF و هم فایل لایه باز طراحی شده در نرم افزار Proteus)، تصویر نقشه شماتیک، لیست کامل قطعات مورد نیاز، پیوست فایل پروژه می باشد.

فهرست عناوین و اهداف جلسات آموزشی