Робот с питанием от солнечных батарей

Детство оставляет след в каждом из нас независимо от возраста; оно чаще всего ассоциируется с любовью к игрушкам. По-видимому, любовь к таким игрушкам, как роботы, завладела нами позднее под влиянием всеобщего интереса к исследованию космоса, однако, чем больше причин побуждает нас увлекаться роботами, тем лучше. В этой главе предоставляется возможность встретиться с маленьким обаятельным роботом-другом по имени Харви. Игра с ним доставляет массу удовольствий, но не менее интересно сделать его самому.

Хотя большинство роботов обладают широкими возможностями, Харви в этом смысле менее выдающийся. Он прямодушный индивидуум, имеющий одну цель: следовать вдоль белой линии. Фактически он будет без устали идти по намеченному пути вокруг земного шара и вернется обратно. Кроме того, он «питается» от солнца.

Любой робот должен обладать подвижностью, т. е. передвигаться с места на место, а также навигационными способностями в процессе движения. Эти два различных, но взаимосвязанных требования выполняются с помощью двух отдельных устройств. Первое управляет механическим перемещением робота. Для этого используются сервомеханизмы.

Сервопривод — это механическая часть робота, аналогичная мышцам человека. Для Харви требуются две сервосистемы: одна — для движения вперед (подобно двигателю автомашины), другая — для управления движением. Совместную работу этих двух систем не всегда просто обеспечить. Проблема решается двумя способами. В первом из них обе функции объединены в одну. Обратимся для объяснения к рис. 1.

Рис. 1

Чтобы передвигать тележку (робот Харви), проще всего насадить ведущие колеса на ось и вращать ее. Предназначенные для этого устройства изобретены давно, к ним относятся цепные, клиноременные и шестереночные передачи, прямой привод (от мотора). При вращении обоих колес с одинаковой скоростью робот будет двигаться вперед по прямой линии (естественно, если оба колеса одинакового диаметра). Скорость передвижения робота пропорциональна скорости вращения колес.

Рассмотрим случай, когда скорости вращения колес неодинаковы. Этого можно достичь, разделив ось пополам и снабдив каждое колесо отдельным приводом. Как и прежде, робот перемещается по прямой, если оба колеса вращаются с одинаковой скоростью.

Если скорость вращения одного колеса, например левого, уменьшится, тележка повернет налево. Почему? Вся причина заключается в том, что колесо, вращающееся с меньшей скоростью, фактически образует точку опоры (пусть даже и перемещающуюся), вокруг которой движется другое колесо с большей скоростью вращения. Практически если полностью остановить левое колесо, то тележка будет описывать на месте небольшой круг радиусом, равным расстоянию между колесами.

Подобным же образом замедленное вращение правого колеса относительно левого приводит к повороту робота направо. Фактически здесь объединяются функции двух механизмов в одном. Раздельное изменение скорости вращения колес обеспечивает не только передвижение тележки, но и управление направлением движения.

Во многих роботах чаще всего используется кратковременное отключение вращения то одного, то другого колеса и тем самым достигается необходимое управление движением. Такому принципу движения сопутствует небольшая тряска, однако, если время, в течение которого колесо не вращается, достаточно мало, рывки сглажива* ются и движение становится относительно плавным

Во втором методе функции передвижения и управления разделены. Для обеспечения прямолинейного движения имеется одна фиксированная ось, а для изменения направления используется переднее поворотное рулевое колесо (или пара колес). На этом принципе основано управление автомобилем.

Рис. 2

Когда поворотное колесо располагается параллельно ведущим колесам, робот передвигается точно вперед (рис. 2). Поверните колесо влево — и он повернет налево, поверните вправо — робот повернет направо, совсем как автомобиль.

Преимуществом данного метода является наличие плавного управления. Робот может поворачиваться постепенно или сразу, при этом задние колеса никогда не должны останавливаться.

По причинам, которые станут понятными позднее, этот метод и был выбран для управления роботом Харви. В этом случае рулевое колесо приводится в движение небольшим электромотором.

Мы пришли к следующему этапу создания робота — следящей управляющей системе. Без определенной доли смышленности Харви просто беспорядочно «рыскал» бы из стороны в сторону. Чаще всего управление мотором — дело электроники.

Чтобы «видеть» белую линию Харви, необходимы «глаза». Глаза Харви — пара фототранзисторов Q1 и Q2, показанные на рис. 3. Фототранзистор — это обычный транзистор, у которого верхняя часть корпуса удалена, а база освещается светом. Свет обычно фокусируется на р—я-переходе с помощью линзы, которая одновременно служит крышкой для корпуса транзистора.

Рис. 3

Когда свет падает на базовую область, через транзистор течет коллекторный ток, пропорциональный интенсивности света Другими словами, сигнал, обычно поступающий на вывод базы, генерируется теперь падающим светом. В большинстве случаев, к которым относится и наш, фототранзистор имеет лишь два вывода, а вывод базы отсутствует.

Фототранзисторы подключены к операционным усилителям (ОУ) по схеме преобразователя ток—напряжение. Как известно из основ электроники, операционный усилитель является усилителем тока.

Выходное напряжение усилителя зависит от тока, протекающего через инвертирующий вход При обычной схеме включения выходной сигнал подается обратно на инвертирующий вход, на котором происходит суммирование сигнала. При равенстве тока обратной связи и входного тока усилитель находится в состоянии равновесия. Если в цепь обратной связи включить резистор (R2 на рис. 3), падение напряжения на этом резисторе будет пропорционально протекающему через него току. Это напряжение, кроме того, пропорционально входному сигналу и снимается с вывода на выходе ОУ

К тому же ОУ имеет еще одну интересную особенность, которой мы воспользовались. Имеется в виду наличие дифференциальных входов. Особенность их состоит в том, что сигнал, поданный на неинвертирующий дифференциальный вход, фактически будет вычитаться из сигнала на инвертирующем дифференциальном входе. Происходит что-то вроде уравновешивания.

Когда входные токи на выводах 2 и 3 равны, они взаимно уничтожаются и для балансировки схемы тока обратной связи не требуется. Следовательно, падение напряжения на резисторе R2 равно нулю даже при наличии сигнала.

Величины входных токов определяются коллекторными токами фототранзисторов Q1 и Q2. При равной облученности транзисторов светом текут равные токи. Поскольку невозможно подобрать пару транзисторов с идеально совпадающими характеристиками, то для устранения небольшого различия между обоими «глазами» Харви в схеме используется переменный резистор VR1.

Фототранзисторы размещаются на небольшой панели, подобной показанной на рис. 4, и разделяются перегородкой, на которой расположен мощный инфракрасный светодиод СД1 Поскольку фототранзисторы отгорожены от этого источника света, его излучение непосредственно на них не попадает. Если же приблизить устройство к отражающей поверхности, все изменится. Свет отражается от поверхности и детектируется фототранзисторами. Количество попадающего на фототранзисторы света зависит от оптических свойств отражающей поверхности. Подобный принцип лежит в основе зрения Харви.

От зеркальной светлой поверхности отразится больше света, чем от темной Наибольшей отражающей способностью обладает поверхность белого цвета, отражающая способность всех остальных цветов уменьшается в зависимости от их коэффициента поглощения. Поверхность черного цвета отражает меньше всего света.

Рис. 4

Проанализировать принцип действия Харви можно с помощью белой линии на темном фоне. Для начала поместим робот точно над белой линией, так чтобы фотодатчики одинаково реагировали на ИК-излучение. Тогда на выходе схемы IC1 напряжения не будет. Если сдвинуть робот влево и іи вправо, соответствующий фототранзистор сместится с белой линии и, следовательно получит меньше света по сравнению с другим. На выходе операционного усилителя появится напряжение той или иной полярности.

Теперь у нас имеется сигнал, соответствующий положению робота относительно белой линии при его движении по этому «шоссе».

Выходное напряжение операционного усилителя подается на два компаратора, IС2 и IСЗ, включенные по схеме двухпорогового устройства При таком включении на обоих выходах — низкий потенциал, если входное напряжение лежит в определенных пределах, установленных делителем на резисторах R4, R5 и R6.

Если выходное напряжение ОУ становится меньше нижнего предела установленного диапазона, компаратор на микросхеме IСЗ срабатывает и на его выходе устанавливается высокий потенциал. Базовым током открывается транзистор Q4 и подсоединяет рулевой мотор к отрицательному выводу (—ЗВ) источника питания. Мотор в свою очередь, изменяя угол поворота рулевого колеса, устраняет смещение светоприемной поверхности фототранзисторов относительно белой линии.

То же самое происходит, когда напряжение на выходе ОУ превышает верхний предел. Срабатывает компаратор на микросхеме IC2 и включает транзистор Q3. Теперь рулевой мотор подключается к положительному выводу (+ЗВ) источника питания и вращается в противоположном направлении, еще раз компенсируя отклонение от курса. Если выходное напряжение ОУ равно нулю, оба транзистора, Q3 и Q4, закрыты.

Теперь, закончив знакомство с основными системами робота, мы подошли к давно уже ожидаемому этапу конструирования вашего собственного робота Харви. Создание робота потребует несколько больше усилий, чем большинство самоделок, описанных в этой книге, особенно если использовать различные подручные материалы. Должен признаться, что я существенно упростил дело.

Я зашел в ближайший магазин радиодеталей в первый день Нового года и купил (это лучше, чем делать его самому) игрушечный телеуправляемый автомобиль, имеющий уже все готовые механические узлы. Я выбрал неисправный, возвращенный в магазин после праздников автомобиль, который собирались выбросить. В игрушке отсутствовал блок передатчика, но все моторы и механизм управления движением были исправны и находились в рабочем состоянии. Прежде всего покупка сэкономила много времени и денег.

Теперь, когда моя совесть чиста и я сознался, каким образом мне удалось ускорить работу над созданием робота, давайте продолжим. Сначала выньте все лишнее из автомобиля. Необходимо оставить только шасси с колесами, мотор ведущих колес и устройство рулевого управления со своим мотором. В автомобиле обычно имеется отсек для батареек. Если автомобиль телеуправляемый, сохраните приемник и передатчик для ваших будущих самодельных устройств.

Первым делом установите снизу и в передней части шасси автомобиля панель с фототранзисторами и светодиодом. Из куска толстого темного пластика я вырезал панель, форма которой показана на рис. 4.

При желании можно установить фототранзисторы и светодиод непосредственно на шасси автомобиля, при этом должен быть обеспечен достаточный зазор межу самой нижней точкой шасси и препятствиями, которые могут встретиться на пути. Кроме того, имейте в виду, что, чем больше вы выдвинете фотоприемное устройство вперед, тем более чувствительным оно будет к небольшим изменениям дорожных условий (к смещению относительно белой линии). Если вы хотите выбрать компромиссный вариант между быстротой реакции робота и плавностью его хода, установите фототранзисгоры ближе к ведущим колесам. Не забудьте отгородить фототранзисторы от светодиода. В качестве заслонки можно использовать небольшой кусочек непрозрачного пластика или бумаги.

Рис. 5

Рис. 6

Следующий шаг заключается в сборке управляющей схемы. Как и в случае большинства устройств, описанных в этой книге, она собрана с применением печатной платы, схема которой приведена на рис. 5, а размещение деталей — на рис. 6.

Проверьте надежность подключения всех источников питания. Не пожалейте на это времени, иначе робот будет работать неустойчиво. Моторы ведущих колес и рулевого управления защищены RС-цепочками (R9, С8 и R10, С9 соответственно).

После монтажа радиодеталей на плате вставьте ее на место платы приемника радиоуправления. При окончательной сборке закрепите проводники фототранзисторов как можно дальше от соединительных проводников, идущих к моторам. Микросхема ІС1 обладает весьма высоким коэффициентом усиления и легко может усиливать сигналы помех. Если возникнет необходимость борьбы с шумами, используйте для присоединения фототранзисторов экранированный провод.

В батарейном отсеке имеется достаточно места для батареек, питающих Харви электроэнергией, но их включение необходимо изменить в соответствии с приведенной схемой, сделав отвод от точки соединения двух батареек. Используйте выключатель, имеющийся в электрической схеме игрушечного автомобиля.

Для работы робота требуется комплект батареек с общим напряжением 9 В. Поэтому свободное место в батарейном отсеке можно использовать для размещения других компонентов схемы, часть которых рассмотрена ниже.

Удостоверившись в правильности монтажа, можно приступить к первой проверке работоспособности робота. При выключенном тумблере питания поместите четыре никель-кадмиевые аккумуляторные батарейки в отсек питания. После включения тумблера робот должен двигаться вперед и поворачиваться.

Тщательно проверьте характер движения робота. Рулевое управление можно испытать, освещая фонариком то один фототранзистор, то другой. Если направление вращения какого-либо мотора неправильное, поменяйте полярность подключения его выводов. Теперь проверьте работу робота Харви на окружности, описываемой белой полосой, проведенной лучше всего на черном фоне. Радиус окружности не должен быть меньше радиуса поворота рулевого колеса.

Поместив Харви на трековую полосу, включите питание и проследите за движением робота.

В конструкции робота Харви применены по существу две оптоэлектронные системы, различающиеся по принципу работы. С одной из них («зрением» робота) мы уже имели дело; ее работа обеспечивается светочувствительными элементами (фототранзисторами), которые управляют током рулевого мотора.

Рис. 7

Другая оптоэлектронная система робота представляет собой солнечную батарею, поддерживающую аккумуляторы в заряженном состоянии. Трудно поверить, но Харви «питается» весьма малым количеством электроэнергии. Фактически полностью заряженного комплекта аккумуляторных батарей хватит для обеспечения автономной работы в течение примерно I ч. После этого для возобновления работы робота его необходимо осветить. Если же Харви находится на солнце, он подзарядится во время движения.

Рис. 8

Рис. 9

Чтобы удовлетворить его потребности, необходимо всего 12 солнечных элементов. Хотя можно использовать любые элементы, генерирующие ток 80 мА или более, я нашел два наиболее подходящих типоразмера.

Батарея из элементов первого типоразмера, показанных на рис. 8, изготовлена из трех круглых элементов, разделенных на четыре части; эти части соединены последовательно с сохранением расположения, показанного на рисунке. В результате получается батарея из элементов, расположенных в виде трех кружочков, похожих на «божью коровку».

Более солидный вид у Харви получается при использовании 12 серповидных элементов, расположенных в линию так, как показано на рис. 9. Робот становится похожим на насекомое (многоножку или червяка) и как бы скользит при движении.

Конечно, вы можете изготовить батарею любой другой конфигурации. Можно даже сделать сменные крышки робота, обеспечив ему возможность более разнообразно выразить себя.

Необходимо помнить: чем меньше выходной ток солнечного элемента, тем дольше будут заряжаться аккумуляторы. Если же вы используете достаточно хорошие элементы, смотрите, чтобы не перезарядились аккумуляторы. Обратитесь за советами к гл. 10, где обсуждаются никель-кадмиевые аккумуляторные батареи и их характеристики.

Имеется множество путей дальнейшей модификации робота. Например, робот приобретает весьма эффектный вид, если его снабдить парой мигающих светящихся «глаз» (не путайте с настоящими фоточувствительными «глазами»). Робота можно «научить» издавать звуки. В продаже имеется ряд микросхем, генерирующих звуки в широком диапазоне.

Теперь, когда Харви (или Гарриетта) готов, начинается пора развлечений. И знакомства с робототехникой!

Список деталей

Резисторы

R1 —150 Ом

R2, R3—1 МОм

R4, R6—2,2 кОм

R5, R7, — 1 кОм

R9, R10—100 Ом

VR1—50 кОм, потенциометр

Конденсаторы

С1—100 мкФ, 16 В

С2, СЗ, С4, С5—0,01 мкФ

С6, С7—0,05 мкФ

С8, С9—0,1 мкФ

Полупроводники

D1—1N34A

ІС1— LM1458

ІС2,IСЗ—LM339

СД1—ХС880-А, ИК-светодиод

Q1, Q2—TIL414, фототранзистор

Q3, Q4—2N3904

Остальные детали

12 солнечных элементов (см. текст)

4 ннкель-кадмиевых аккумулятора АА

Ведущий и рулевой электродвигатели

Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.