Řídicí, pohybový a senzorický subsystém mobilního

Øídicí, pohybový
a senzorický subsystém
mobilního robotu (2)
Petr Novák
1.1.1 Rádiový modem
Pro komunikaci mezi nadøazeným PC a sítí mikropoèítaèù umístìných na robotu je
použita dvojice rádiomodemù ADAM-4550
firmy Advantech. Rádiomodemy pracují
na kmitoètu 2,4 GHz a používají modulaci
s rozprostøeným spektrem, která umožòuje pøíjem a správné zpracování i silnì zašumìného signálu. Bližší popis tìchto modulù lze získat na internetových stránkách
výrobce [11].
1.1.2 Modul øízení pohonù robotu
Použité pohony Maxon jsou tvoøeny stejnosmìrným elektromotorem RE 40, planetovou keramickou pøevodovkou GP 42C,
inkrementálním senzorem (enkodérem)
otáèení motoru a øídicí jednotkou 4-Q-DC
ADS50/10 STANDARD. Žádaná hodnota
rychlosti motorù je øídicí jednotce zadávána prostøednictvím modulu pro øízení pohonù v analogovém tvaru. Tyto moduly využívají mikroprocesory Atmel AT 89C 2051
spolu s A/D a D/A pøevodníky PCF 8591,
které generují žádanou hodnotu PI regulátorù øídicích jednotek ADS50/10 pohonù
v požadovaném analogovém tvaru.
Øídicí jednotka ADS 50/10 je ètyøkvadrantový PI regulátor. Je urèen pro øízení stejnosmìrných motorù do 250 W. Úèinnost
jednotky je uvádìna 95 %. Napájí se stejnosmìrným napìtím 24 V, tvoøeným dvìma
12 V akumulátory, zapojenými do série.
Na øídicí jednotce je také k dispozici napìtí +12 V a –12 V, což je zde využito.
Na jednotce lze zvolit nìkterý z druhù senzorù zpìtné vazby, a to tachodynamo, snímání metodou I x R nebo enkodér (inkrementální senzor). Vstupní napìový signál
na konektoru SET VALUE o velikosti
–10 až +10 V urèuje podle nastavení pøepínaèe požadovanou rychlost motoru nebo
požadovanou velikost proudu, který urèuje
mechanický moment motoru. V našem pøípadì vstupní signál urèuje požadovanou
rychlost motoru.
98
Signál na konektoru ENABLE povoluje
èinnost øídicí jednotky a pøipojeného motoru. Èinnost této jednotky je povolena pøivedením signálu o napìtí 4 až 50 V. Je tedy
možno bez úpravy využít signály mikroprocesoru AT 89C 2051, které jsou v úrovni TTL (0 … 5 V). Signál Enable je generován modulem watch dog, který hlídá
komunikaci s nadøazeným poèítaèem a pøi
výpadku komunikace provede zastavení
motorù a pøedání øízení místnímu øídicímu
systému.
Jelikož je napìtí na výstupu D/A pøevodníku v rozsahu 0 až +5 V, a požadovaný rozsah napìového signálu na vstupu øídicí
jednotky motoru Maxon je +/–10 V, je nutno výstupní napìtí D/A pøevodníku pomocí operaèního zesilovaèe pøetransformovat
z rozsahu (0 až +5 V) na (–10 až +10 V).
Toto je provedeno operaèním zesilovaèem
v diferenèním zapojení zesilujícím rozdíl
dvou napìtí (viz [1] strana 136 a 179)
– obr. 4. Zesilovaè odeète od výstupního napìtí D/A pøevodníku 2,5 V a výslednou
hodnotu vynásobí 4.
Obr.4 Odeèítací obvod
Operaèní rovnice má tvar:
R
uv = F us1 − us 2
RS
b
g
(1)
Vhodným pomìrem odporù Rf a Rs dosáhneme požadovaného zesílení signálu.
Potøebné zesílení je 4, a tedy podmínka velikosti odporù je dána vztahem:
R F = 4 RS
(2)
1.1.3 Modul inkrementálního senzoru
Pro potøeby polohového øízení obou pohánìných os je systém doplnìn další dvojicí
enkodérù instalovaných na pohánìných
kolech. Informace tìchto senzorù je zpracována navigaèním subsystémem a slouží
k urèení polohy (ve spojení s informací
kompasu) a rychlosti robotu. Kvadraturní
signály A a B enkodérù byly v pùvodní verzi øídicího systému dekódovány mikroprocesorem. Nyní je použito dvou modulù
IRC1 (každý pro jedno kolo) obsahující 24bitový èítaè, urèený k dekódování kvadraturních signálù inkrementálního snímaèe
polohy (integrovaný obvod LS 7166) a mikroprocesor ATMEL AT 90S 1200 zajišující
napojení na sériové rozhraní I2C. Bližší popis tohoto modulu, respektive kvadraturního dekodéru, lze najít na [9] a [10].
1.1.4 Modul a senzor
pro sledování èáry
Jedním z použitých algoritmù autonomního chování je sledování èáry vyznaèené
na podlaze. Pro toto detekování èáry je použito trojice IR senzorù tvoøených výkonovou IR diodou a IR tranzistorem. Pøedpokladem pro použití tohoto senzoru je
tmavá barva èáry, která pohlcuje infraèervené záøení a kontrastuje s barvou podlahy. Na výstupu senzoru je spojité napìtí,
závislé na intenzitì odraženého infraèerveného svìtla, dopadajícího na bázi IR tranzistoru. Toto napìtí je mìøeno A/D pøevodníkem PCF 8591, který je souèástí
modulu pro sledování èáry.
1.1.5 Modul watch dog
Modul watch dog (hlídací pes), tvoøený
mikroprocesorem Atmel AT 89C 2051
s rozhraním RS 485, slouží pro monitorování komunikace mezi nadøazeným poèítaèem a robotem. Výpadek komunikace by
mohl mít za následek nekontrolovaný pohyb robotu. Nadøazený poèítaè musí periodicky adresovat modul watch dog, jinak
tento modul pøedpokládá, že došlo k výpadku komunikace a provede zastavení pohonù, pøípadnì pøedá øízení záložnímu øídicímu systému, který mùže napø. odjet
s robotem z volného prostranství k nejbližší zdi. Zastavení pohybu robotu se provádí
pomocí signálù linek Enable na øídicích
jednotkách pohonù ADS50/10, viz obr. 3.
2. Senzorický subsystém
Senzorický subsystém mobilního robotu je
tvoøen modulárnì a je tedy snadno rozšiøitelný a je založen na tìchto senzorech:
• sonary SRF 08,
• kompas CMP S01 (respektive CMP S03),
• laserový 2D skener LMS 200,
• modul sledování èáry (zmínìno výše
v textu) a další.
2.1 Sonar SRF 08
Sonar SRF 08 je ultrazvukový detektor pøekážek vhodný k mìøení jejich vzdálenosti
v nastavitelných rozsazích, pøièemž nejdelší je cca 11 m. Na trh byl uveden v roce
2002. (Poznamenejme zde, že existuje též
starší verze SRF 04, která má však kratší
dosah, nedisponuje tolika funkcemi a nemá I2C komunikaci.) Princip èinnosti je založen na mìøení doby mezi emitovaným
Obr.5 Zapojení vývodù sonaru
SRF 08 a èelní pohled na sonar
– uprostøed senzor svìtla
(rozmìr y 43 x 20 x 17 mm)
a pøijatým (odraženým od pøekážky –
„echo“) ultrazvukovým signálem. Emitovaný signál tvoøí 8 period o frekvenci 40 kHz,
z èehož plyne doba trvání 0,2 ms tohoto
signálu.
Jednou z velkých pøedností tohoto sonaru
je jeho prùmìrná spotøeba – 15 mA/5 V,
která je oproti jeho pøedchùdci, SRF 04
(50 mA/5 V), pøípadnì doposud velice èasto používaném sonaru Polaroid 6500
(300 mA/5 V a až 2,5 A ve špièce), velice
nízká. Díky tomu není problém napájet vìtší poèet tìchto modulù z malého zdroje napìtí (baterie, akumulátor). Navíc modul sonaru se dokáže po ukonèeném mìøení
a èekáním na další pøíkaz pøepnout do pohotovostního (standby) režimu, ve kterém
odebírá ze zdroje proud 3 mA. Sonar dokáže zmìøit vícenásobný odraz (echo)
a uchovává celkem až 16 prvních tìchto
odrazù (umožòuje mìøení skrze otevøené
dveøe – obr. 6). Dále dokáže v módu ANN
(Artificial Neural Network) zmìøené hodnoty pøedzpracovat a poskytnout je ve tvaru vhodném pro zpracování neuronovou sítí. Modul komunikuje po sbìrnici I2C a lze
u nìho softwarovì zmìnit jeho adresu.
Další podrobnìjší informace o spotøebì
modulu v jednotlivých fázích jeho èinnosti
jsou k dispozici v [12].
2.2 Kompas CMPS 01
Tento kompas byl speciálnì navržen pro
navigaèní úèely v oblasti robotiky. Poskytuje informaci o azimutu dvìma zpùsoby
– formou PWM signálu (pulsnì-šíøková
modulace) nebo pomocí I2C sbìrnice.
Pøesnost mìøení je uvádìna 3-4° s rozlišitelností 0,1°.
Kompas používá dvojici vzájemnì kolmých
senzorù magnetického pole Philips KMZ
10A založených na piezorezistivním jevu.
Senzory jsou doplnìny kompenzaèními
cívkami. Popis principu mìøení, vèetnì použité metody kompenzace je dostupný
v elektronické podobì v [13] a [14]. Kon–cem roku 2002 byla uvedena verze CMPS
03 tohoto kompasu.
Obr.7 Modul kompasu CMPS 01
(rozmìr y 32 x 34 x 8 mm)
Výstupní PWM signál je modulován tak, že
šíøka kladného pulsu (log. 1) je úmìrná
azimutu v rozsahu 1 ms (0°) do 36.99 ms
(359.9°), neboli jinými slovy 100 µs/° s offsetem 1 ms. Šíøka pulsu v log. 0 je 65 ms,
takže délka celé periody je 65 ms + šíøka
kladného pulsu, tj. 66 ms – 101,99 ms.
Výstupní informace o azimutu je kompasem také poskytována pøes I2C rozhraní.
Podrobný popis kompasu je uveden v elektronické podobì dostupný na [8].
2.3 Laserový skener LMS 200
LMS je optický senzor, který skenuje své
okolí pomocí infraèervených paprskù.
Slouží ke støežení nebezpeèné oblasti strojù nebo dopravních prostøedkù. Lze jej použít jak na ruènì øízených vozících, tak i u
dopravních systémù bez øidièù. Senzor
pracuje na principu mìøení jako u výše popsaného sonaru. Z èasu uplynulého mezi
vysláním a pøíjmem svìtelného pulsu je vypoètena vzdálenost od objektu (pøekážky).
V senzoru se dále nalézá rovnomìrnì rotující zrcadlo, které svìtelné pulsy vychyluje tak, aby pokrylo pùlkruhové plochy.
Pøi znalosti úhlu natoèení zrcadla senzor
rozezná smìr k objektu (pøekážce).
Ze zmìøené vzdálenosti a smìru tak skener urèí pøesnou polohu objektu. Zmìøená
data jsou dostupná prostøednictvím sériového rozhraní RS 422/232 s pøenosovými
rychlostmi 9.6/19.2/38.4/500 kBaud.
Úhlová rozlišitelnost skeneru je nastavitelná v hodnotách 0.25°, 0.5° a 1° v pracovním
rozsahu 180° a vzdálenostech 8 až 150 m
– závisí na zvolených jednotkách mìøení
(mm, cm, dm) – blíže dokumentace [15].
Pøipojení skeneru do senzorického subsystému robotu (který využívá ke komunikaci
RS 455) je provedeno prostøednictvím mikropoèítaèe vybaveného dvìmi sériovými
rozhraními. Prostøednictvím prvého – RS
232 je pøipojen skener a druhým – RS 455
je realizováno napojení do senzorického
subsystému.
Podìkování
Tento èlánek byl podpoøen projektem
J17/98:272300008 MŠMT.
Literatura
[1] KABEŠ, K.: Operaèní zesilovaèe v automatizaèní technice. SNTL 1989, Praha. 260
s. DT 681.583
[2] Manuál k ADS50/10, dostupné v elektronické formì na http://www.maxon.ch
(nìmecky a anglicky).
[3] SKALICKÝ, P.: Mikroprocesory 8051.
BEN – technická literatura Praha. 2. vydání v r. 1998, 160 s., ISBN 80-86056-39-2
[6] TVARَKA, A.: Návrh dálkovì øízeného mobilního robotu na kolovém podvozku. (Diplomová práce. Vedoucí – doc. Dr.
Ing. Petr Novák), katedra robototechniky,
VŠB, TU Ostrava 2002.
[7] http://www.st.com/stonline/books/
[8] http://www.robot-electronics.co.uk/
htm/cmps3doc.shtml
[9] http://www.mite.cz
[10] http://www.usdigital.com/products/
ls7166/
[11] http://www.advantech.com
[12] http://www.robot-electronics.co.uk/
htm/srf08tech.shtml
[13] Philips General Magnetic field sensors In: http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/ various/SC17_GENERAL_MAG_98_1.pdf, Philips, 1998
[14] Philips KMZ10A Magnetic field sensor In: http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/ datasheets/KMZ10A_3
.pdf, Philips, 1998
[15] LMS200 – Laser Measurement System – Indoor Version. SICK, Germany, 1998.
doc. Dr. Ing. Petr Novák
Obr.6 Vícenásobné echo
Obr.8 Laserový skener SICK LMS 200
(156 x 155 x 210 mm, 4.5 kg)
Katedra robototechniky
VŠB-TU Ostrava
70 833 Ostrava-Poruba, ÈR
e-mail: [email protected]
58
99