Universitatea Politehnica BucureştiFacultatea de Automatica si Calculatoare

Departamentul de Automatica si Ingineria Sistemelor

LUCRARE DE LICENTA

Implementarea unui robot mobil.Aplicatie Ballbot

AbsolventDorin Petre

CoordonatorSl.dr.ing. Monica Patrascu

Bucuresti, 2013

CUPRINS

1. Introducere 2

2. Roboti mobili 3

3. Propunere robot de tip Ballbot 73.1. Formulare problema 73.2. Solutie propusa 8

4. Implementarea robotului de tip Ballbot 114.1. Module implementare 11

4.1.1.Implementarea placilor necesare 114.1.2. Placa driver 124.1.3. Placa microcontroler 174.1.4. Suportul mecanic 26

4.2. Alte module 284.2.1. Motoarele 284.2.2. Acumulatorul 31

4.3. Control 33

5. Concluzii

6. Bibliografie

1

1. Introducere

In aceasta lucrare este prezentata crearea unui robot care are ca prima sarcinabalansarea pe o bila cu ajutorul a 4 roti controlate prin motoare. Ma voi axa pecontrolul robotului in stare de repaus pentru a-si mentine echilibrul.

Am ales realizarea unui astfel de robot pentru agilitatea pe care o poatedezvolta datorita instabilitatii sale. Acesta poate avea o multitudine de aplicatiidatorita faptului ca din orice pozitie poate sa plece in orice directie in cele 360 degrade fara a necesita nici un tip de intoarcere. Fiind omnidirectional aceasta conferaagilitate in comaparatie cu alte tipuri de roboti, dandu-i in timpul miscariiposibilitatea manevrabilitatii mult mai usoara. Datorita contactului cu solul intr-unsingur punct imbunatateste deplasarea in locuri inguste, zone aglomerate saudinamice.

Diferite tipuri de utilizari pentru un asfel de robot ar putea fi:- panou de informatii(atasarea ulterioara a unui touchscreen) intro zona - in spitale pentru ajutorul doctorilor sau a pacientilor- robot ajutor in interiorul firmelor: office sau spatiul de lucru si intr-o casa- industria producerii de jucari

2

2. Roboti mobili

Scurt istoric al construirii de roboti mobili

La inceput primii roboti au fost conceputi static stabili, adica nu consumauenergie pentru a sta pe loc. Acesta era posibila avand minim 3 puncte de sprijin.Deobicei acesti roboti erau conceputi cu o baza mare si greutate inutila pentru a fi catmai jos central de greutate. Baza foarte mare a robotilor stabili static face greanavigarea printer mediul inconjurator oamenilor din ziua de azi. Acesti roboti aumarele dezavantaj ca nu se pot deplasa in orice directivtie fara a se intoarce pe locsau a da cu spatele.

Primul robot static instabil a fost cel pe 2 roti, urmand sa se faca dupa ideeaaceasta si faimosul Segway. Acesta are la baza un controller asemanator pendululuiinvers. Din nefericire si acesta nu putea sa plece in orice directive fara a se roti pe loc.

Robotul dinamic este numit si ballbot care in general are corpul robotului carese balanseaza pe o bila. Acesta se face deobicei prin intermediul elementelor deexecutie, care sunt roti in cea mai mare parte actionate prin intermediul unormotoare. Acestea duc la crearea unui robot cu foate multe grade de libertate datoritabalansarii pe o sfera. Corpul robotului este tinut in pozitie vertica in acest echilibruinstabil tot cu un controller facut cu ajutorul conceptelor pendului invers.

Concepte de roboti dinamic stabili pe o bila

a) Primul ballbot care a fost construit cu succes a fost CMU Ballbot (Lauwerset al., 2005) de catre profesorul Ralph Holis la Universitatea Carnegie Mellon,Pittsburg, SUA. Acesta a fost conceput pentru imita statura unui om si al doileaobiectiv a fost de a crea o platforma de dezvoltare pentru viitoare idei deimbunatatire. Acest robot are 1,5 m inaltime, diametrul de 400 mm si greutatea de 45kg. S-a folosit o bila de bawling acoperita cu cauciuc subtine prentru a face contactul

3

cu solul. Corpul este sustinut de 3 bare de aluminiu, acesta are straturi carediferentiaza diferitele functii ale robotului dupa cum se poate vedea si in Figura 1.1.

Alimentarea s-a facut cu ajutorul unei baterii de 48V cu capacitatea de a timerobotul pornit timp de catega ore. Unitatea de procesare e un procesor Pentium de200MHz. Stabilizarea pe verticala a fost facuta cu ajutorul unui filtru Kalman.

Comanda motoarelor se face prin intermediul driverelor comandate in PWM.

Mecanismul care invarte bila este similar cu cel de la mouse, doar ca toateactiunile sunt inversate, deoarece motoarele invart bila prin intermediul curelelor indiferite pozitii pentru a echilibra. Sunt folosite servomotoare pentru actionareaorganelor de executie. Un compromis a fost facut intre un coeficient de frictiune maresi un coeficient de frictiune mare intre barile de actionare si bila pentru a se puteadeplasa pe ambele axe.

Suportarea greutatii robotului se realizeaza prin plasarea a 3 bileomnidirectionale in partea superioara a sferei.

4

Figura 1.1. CMU Ballbot (Lauwers et al., 2005)

Modelul acestui robot a fost facut in spatiul starilor. Partea de reglare a fostabordata din 2 perspective: prima a fost conceputa din control optimal si un controlerPI intern, iar a doua a fost facuta doar cu ajutorul unui PID.

b) Un alt ballbot este numit Rezero si este realizat de un grup de studenti dinZurich. Acestia au avut o viziune diferita asupra constructiei mecanice a robotului.

Prima diferenta se poate vedea direct la sistemul de balansare pe bila, fiindconceput din 3 bile fara a mai fi nevoie de ajutor la sustinerea greutatii. Motoarelefolosite nu am mai fost de tip servomotor si s-au utilizat motoare de curent continuufara perii cu reductoare incorporate.

Acestea au encodere pentru a cunoste la fiecaremoment de timp cate rotatii s-au efectuat. In cazul acestanu a mai fost utilizata o curea de transmisie.Organele deexecutie in cazul acesta sunt diferite; acestea prezintainele aditionale ce realizeaza o miscare de rotatieurmarind forma rotii.

Corpul robotului este asemanator constituit dinetaje care sa diferentieze diferite parti ale robotui cum arfi bateria, IMU, microcontrolerul(aici s-a folosit o placalinux).

Regulatorul folosit a fost de tip control optimal incare intrau unghurile de inclinatie cat si numarul derotatii efectuat de catre motoare cat si viteza acestora.

5

Figura 1.2. CMU Ballbot - detaliu(Lauwers et al., 2005)

Figura 1.3. Rezero (PeterF., Corsin G., 2010)

6

3. Propunere robot de tip Ballbot

3.1. Formulare problema

Datorita contactului cu solul intr-un singur punct robotul este instabil inmiscare dar si in timpul repausului. Pornim cu un robot care trebuie sa fie tot timpulactiv pentru a nu se dezechilibra si a cadea de pe bila.

Inaltimea este un factor important care influenteaza acest tip de robot,deoarece trebuie sa fie la o inaltime cat mai mare pentru a-si atinge scopul utilitar.Direct dependenta de inaltime este greutatea. Aceasta creste in primul rand riscurilein cazul de avarie.

Factorii de mai sus influenteaza urmatoarea problema care este centrul degreutate. Cu cat va dus catre extreme(partea superioara/inferioara) robotul se va intramai usor in instabililate.

Cuplul maxim al motoarelor trebuie sa fie adecvat precedentelor, dar in acelasitimp si viteza. In functie de tipul elementului de executie trebuie ales un reductoradecvat.

In functie de toate elementele enumerate mai sus se vor permite interpretareacerintelor directe ale robotului dupa cum urmeaza: acceleratia, unghiurile maxime deinclinare, dinamica si agilitatea. Viteza maxima la care poate ajunge acest robot estedata de puterea motoarelor si caracteristicile acestuia. Elementele de executie mai auun rol important in trasmiterea momentului de rotatie intre bila si sol.

Coeficientii de frictiune intre organele de executie si sfera si sfera si sol au unrol major in designul sistemului. Bila trebuie sa fie conceputa dintr-un materialrezistent preferabil acoperit cu un strat care sa prezinte o aderenta sporita. Intra indiscutie daca corpul sferic este gol sau plin in interior, deoarece fiecare prezintaavantaje si dezavantaje.

7

Toate elementele de mai sus influenteaza problema principala a robotului;controlul inertiei corpului robotului pentru a nu se dezechilibra. Modeluldispozitivului cu care va fi citit unghiul de giratie si unghiul de rotatie. Acestatrebuie sa fie capabil sa efectueze multe citiri ale acestor unghiuri intr-o perioada detimp data de utilizator.

Microcontrolerul trebuie sa aiba o putere de procesare direct proportionala cualgoritmul de reglare pe care se doreste a fi implementat.

Acumulatorul sau bateria utilizata trebuie sa fie adecvata pentru a rezista operioada minim necesara pentru utilizarea in mediul de utilizare.

3.2. Solutie propusa

Voi incepe cu solutia conceptuala a legaturilor dintre elementele hardware:

Microcontrolerul pe care il voi utiliza va fi Atmega 324p. Acesta v-a fi creierulintregului sistem. El v-a citi prin intermediul MPU 6050 valorile furnizate de laAccelerometru si Giroscop. In functie de gradul de inclinare acesta v-a cacula o

8

Figura 3.1. Elemente hardware

comanda data catre motoare prin ajutorul unei valori a vitezei acestora.

Fiecare timer are desemnata cate o axa (OX sau OY) care sunt perpendiculareunu peste alta. Acestea vor transforma aceasta comanda in PWM. Timerele vor aveanevoie de o scurta initializare inainte de utilizare.

Driverele vor prelua PWM-ul direct proportional cu comanda si il voramplifica la tensiunea si vor furniza amperajul specific motoarelor.

Motoarele vor fi controlate in perechi de 2 cate 2. Acestea vor fi dispuse pefiecare axa cate o pereche. Ele vor fi dispuse diametral opuse pentru a lucra ca unsingur mijloc de actionare. Datorita dispunerii in orice directie ar fi setata comandamotoarele vor fi comandate cate 1 in sens trigronometric, iar celalat in sens anti-trigronometric.

In urmatoarea figura voi prezenta conceptul mecanic.

Cercul sau masa de deasupra v-a fi cel care v-a sustine toata electronica care v-a fi dispusa astfel:

- acumulatorul fiind cea mai grea piesa v-a fi pus in centru - pentru a necesita cat mai putine calcule accelerometrul v-a fi pus si acesta pe

centrul mesei- accelerometrul va incorpora in placuta pe care va fi proiectat

9

Figura 3.2. Suportul mecanic

microcontrolerul, deci microcontrolerul va fi plasat pe centrucu ajutorul unordistantiere fata de acumuloator

- fiecare driver va fi plasat deasupra unui picior si se vor face legaturi intremicrocontroler si driver cu ajutor unor pamblici

Picioarele vor fi dispuse diametral dispuse si vor sustine motoarele care vor ficonectate la drivere cu ajutorul unor fire.

10

4. Implementarea robotului de tip Ballbot

4.1. Module implementate

4.1.1. Implementarea placilor necesare

In implementare, am urmarit o serie de pasi:

a) Schemele au fost facute utilizand programul EagleCAD 6.3.0 Free carepermite desenarea schemei bloc cat si a layout-ului. Circuitul care urmeaza sa fieimprimat este exporta in format pdf pentru a putea fi imprimat la scara de 1:1.

b) Metoda folosita fiind de tip UV circuitul se printeaza pe o folietransparenta. Inainte de printare am dat contrastul la maxim si am setat o rezolutiede 1200 dpi pentru a spori calitatea. Am folosit o imprimanta laser si am tiparitfilmul circuitului pe partea abraziva a foliei. Dupa printare am verificat continuitateatraseelor si am corectat cu un marker de 0.5 mm in locurile unde nu au iesit perfect.

c) Pregatirea placutei pentru cablaj a fost destul de usoara datorita utilizariiuneia direct acoperita cu photorezist. Taierea la dimensiunile necesare am realizat-ocu ajutorul unei unelte de gaurit-frezat.

d) Am utilizat pentru transferul circuitului de pe folie pe placuta o masa de expunere echipata cu cate 3 neoane sus si 3 neoane jos(toate fiind neoane UV de10W) pentru a putea face simultan cele 2 parti ale placutei. Expunerea am realizat-oaplicand foliile transparente aliniate direct pe placuta pe partea aplicata cuphotorezist, intre 2 geamuri.

e) Developarea s-a facut in soda caustica (NaOH-Hidroxid de Natriu). Amutilizat manusi pentru a evita contactul cu solutia si am scufundat placuta. Am agitatoaba cand photorezistul expus s-a dizolvat si traseele au ramas vizibile. Am incheiat

11

procesul de developare in momentul in care nu a mai existat photorezist decat petraseele circuitului.

f) Corodarea a fost realizata in clorura ferica lichida (FeCl3). La fel ca si la developare am folosit manusi pentru a nu intra in contact direct cu solutia. Amfolosit cutie si am plasat placuta in pozitie verticala. Am asteptat pana cand a ramasdoar circuitul imprimat din cupru, am spalat placuta sub un jet de apa curata.Eliminarea photorezistului lasat pe trasee am facut-o cu ajutorul acetonei.

g) Gaurirea am realizat-o cu o masina de graurit-frezat sustinuta de un standin pozitie verticala pentru a avea o precizie sporita. Burghiele utilizate au fost de 0,8mm si 1,2 mm.

4.1.2. Placa driver

Realizarea acestei placute s-a realizat cu ajutorul driverului dual de tip punteHDRV 8833. Utilizand motoare de curent continuu, acest driver este una din solutiilecele mai bune, deoarece nu ocupa spatiu foarte mare si este maleabil in privintaacceptarii comenzilor la tensiuni diferite.

In figura 4.1 voi prezenta schema electrica in urma proiectarii electrice.

DRV 8833 este un circuit integrat care poate simultan sa actioneze 2 motoarede curent continuu. Curentul maxim pe care poate sa il suporte pe timpulfunctionarii este de 1,5A pe canal, iar curentul de varf suportat este de 2A pe canal.Acesta mai are si o functie de legare paralela a intrarilor si iesirilor pentru a-si dubla

12

Figura 4.1. Placa driver - schema electrica

performantele. Acesta are o iesire de racire, se poate vedea pe layout-ul rosu (Figura3.4-stanga) o pata in mijlocul placii care serveste ca radiator.

Am folosit pachetul SMD, deoarece ocupa un spatiu restrans si rezista multmai bine in cazul socurilor si vibratiilor. Driverul suporta o alimentare destul devariata de la 2,7 la 10,8V.

In figura 4.2 urmatoare voi prezenta layout-ul din urma proiectarii electrice.

Figura 4.2. Lay-out drivere

· Puntea H

Puntea H este probabil celmai utilizat mod de a comandamotoarele de curent continuu,oferind controlul bidirectional.Acesta se comanda prin semnal detip PWM (Pulse WidthModulation).

Logica din spate este simplacand tranzistorii A sunt deschisi sitranzistorii B sunt inchisi motorulva avea un sens generic pozitiv, iarin cazul in care se inverseaza totitranzistorii motorul se va Figura 4.2invarti in sens negativ.

13

Figura 4.3. Puntea H

· Semnalul de tip PWM

In semnalul de tip PWM se controleaza factorul de umplere al semnaluluidigital. Se face o medie intre latimea semnalului fata de perioada si amplitudinea lacare ajunge semnalul. Tensiunea si curentul sunt controlate comutand rapid intrelogica 0 si logica 1 intr-un ritm alert. Frecventa trebuie sa fie in concordanta cudriverul care va prelua sarcina de a alimenta un dispozitiv. Se pot comandaechipamente inductive, cum ar fi motare de curent continuu sau servomotoare, dar siled-uri pentru a creste sau scadea intensitatea luminoasa.

Figura 4.4. PWM

Dupa cum se poate observa si in figura de mai sus un factor de umplere mic arreprezenta o tensiune joasa si un factor de umplere mare ar reprezenta o tensiunemare sau cea de alimentare.

· Diode protectie spike-uri

Toate drivere din ziua de azi vin cu diode de protectie impotriva spike-urilorinduse de motor inapoi in driver. Indicat este sa fie plasate pe circuit si aceste diodesuplimentare, deoarece cele interne se pot strica mult mai usor. Un alt motiv pentrucare sunt indicarte este pentru ca nu sunt de tip Schottky, care sa comute rapid.

In cazul de fata am folosit diode de tensiune dubla si 1A curentul de scurgere.

· Condensatorii C1 si C2

14

Dispozitivul permite utilizarea in paralel a iesirilor si intrarilor pentrudublarea performantelor, dar trebuie plasati ulterior 2 condensatori de 0,01µF si2,2µF la tensiunea de alimentare, repectiv la masa.

· Pinii dispozitivului

Tabelul 4.1 descrie principalii pini ai DRV 8833

VM Tensiunea de alimentare

GND Masa

AIN1,BIN1,AIN2,BIN2 Pinii de control ai PWM-ului

nSLEEP Pin de activare a driverului

nFAULT Pin de avarie

AISEN,BISEN Pin de feedback

AOUT1,BOUT1,AOUT2,BOUT2 Pini de iesire care motoare

Tabelul 4.1.Pinii DRV8833

Pinul de activare nSLEEP cand are tensiunea la logica 1 driverul este in stareade activ, adica in functie de logica pinilor de comanda are iesirea adecvata. Cand arelogica 0, acesta reseteaza logica pinilor de comanda, iar DRV 8833 intra in starea deconsum redus.

Pinul de feedback nFAULT are 2 tipuri de iesiri logica 1 si logica 0 atata timpcand driverul este activat. Acesta are logica 1 atat timp cat nu intra in nici un tip dedefect(curentul tras este prea mare sau temperatura depaseste parametrii deutilizare).

Datorita faptului ca DRV 8833 se inchide singur in modul de avarie eu amlasat acest pin neconectat.

Pinii de feedback AISEN, BISEN dau o tensiune direct proportionala cucurentul tras pe fiecare canala(punte H). Acestia cand nu sunt utilizati se duc la masacircuitului.

· Comandarea driverelor in urma schemei electrice

Comandare acestor drivere este extrem de simpla. Dupa cum se poate vedeain Figura 4.1, blocul JP1 are intrarile in gruparile (AIN1,BIN1), respectiv (AIN2,BIN2)si nSLEEP.

15

nSLEEP AIN1,BIN1 AIN2,BIN2 AOUT1,BOUT1

AOUT2,BOUT2

Rezultat

0 X X X X Motor pasiv

3,3V 0V 0V Z Z Incetinirea rapida a motorului

3,3V 0V PWM(3,3V) 0V PWM(7,4V) Motor inapoi

3,3V PWM(3,3V) 0V PWM(7,4V) 0V Motor inainte

3,3V 3,3V 3,3V 0V 0V Frana fortata a motorului

Tabelul 4.2. Comanda motor

In figura 4.5 voi prezenta rezultatul driverului in urma tuturor proceselor deproiectare, expunere, developare si lipire:

Figura 4.5. Implementare driver

16

4.1.3. Placa microcontroler

Placa are scopul de a citi unghiurile de inclinare, de a rula un algoritm dereglare si de a da comenzile spre drivere. Realizarea acesteia a fost facut cu ajutorulunui stabilizator de tensiune de 3,3V, un microcontroler Atmel si un circuit careserverste ca accelerometru + giroscop.

In figura 4.6 voi prezenta schema electrica din urma proiectarii electrice.

Figura 4.6. Schema electrica

Legaturile dintre diferitele blocuri s-au facut cu ajutor diferitelor simboluri delegatura cum ar fi alimentarea, sau in alte cazuri s-a facut prin redenumirea firului.Aceasta este posibila, deoarece in EagleCAD fiecare legatura dintre 2 pini (fir electric)are o denumire unica.

Componenta auxiliara a acestei placi este MPU 6050 care este reprezentataprintr-o bara de pinheader, urmand sa se execute legaturile adecvate de alimentare sicomunicare cu microcontrolerul.

In figura 4.7. voi prezenta schema electrica din urma proiectarii electrice.

17

Figura 4.7. Schema electrica

In continuare voi prezenta componentele folosite pentru aceasta placa.

· Microcontrolerul folosit: ATmega 324P

Unitatea centrala de programare (CPU) in cazul meu este microcontrolerul.Acesta reprezinta un circuit integrat care cuprinde o unitate centrala de procesare, o

memorie (RAM si flash), si pini de I/O pentruinteractiona cu sistemele periferice care pot fiprogramate prin intermediul ICSP(In Circuit SistemProgramind). Cel mai des este intalnit in sistemeembeded avand o singura sarcina de facut undeutilizatorul nu interactioneaza direct cu el. In ziua deazi se gaseste cam in toate dispozitivele utilizate de omde la frigider, telecomanda, avand aplicatii in sistemeimportante cum ar fi la masini (ABS) si ducandu-se laalicatii extrem de complexe si periculoase cum ar fi unavion sau un reactor.

Deobicei un producator de microcontrolere se axeaza pe o anumita piata.

Atmel AVR produce in special cipuri folosite in sistemele embeded. ARM suntspecializati pe domeniul telefoanelor mobile, iar Intel sunt axati pe procesoare cuputere mare pentru calculatoare si laptopuri.

Am ales sa utilizez varianta SMD a acestui produs fata de varianta QFN(quad-flat no-leads), deoarece sunt mult mai usor de observat pinii, se poate utilizaun letcon petru lipirea pe placa, fata de QFN care necesita o pompa de aer caldpentru a putea fixa circuitul integrat.

18

Figura 4.8. ATmega

Principalele caracteristici ale acestui dispozitiv sunt:CPU 8biti

Memorie RAM 2KB

Memorie Flash 32KB

Porturi analogice(I/O) 32

Oscilator Intern 4MHzExtern 16MHz

Tabel 4.5 Caracteristici ATmega 324p

Din cei 44 de pini ai integratului 32 se pot folosi pentru a interactiona cusistemele periferice. Pinii acestia digitali pot fi setati dupa nevoie sa fie I/O. Pinii deinteractiune au si alte intrebuintari:

- 8 pini pot deveni analogici I/O (out-poate fi intre 0V-si tensiunea dealimentare)

- 3 pini se utilizeaza de ICSP pentru programare - 6 pini pot fi setati pentru PWM in functie de timer: Timer0-(PD6,PD7),

Timer1-(PD4,PD5) si Timer2-(PB3,PB4)- 2 pini de comunicatie seriala: RX-PD0 si TX-PD1 - etc.

Pinii ramasi vor folosi la funtii diferite functii ale microcontrolerului dupa cumurmeaza: 3+1 pini de alimentare 1 pin alimentand CAN (convertorul analog-numeric), 4 pini pentru a pune masa circuitului, 1 pin pentru o tensiune de referintain cazul in care pinii analogici se folosesc pe post de comparatori si 2 pini dedicaticuartului.

In lucrarea aceasta am utilizat Timerul 0 si Timerul 2 pentru ca acestia au orezolutie de 8 biti ceea ce ofera o posibilitate de 256 de valori [0-255] pentru a setaPWM-ul, fata de Timerul 1 care poate ajunge la o rezolutie de 16 biti. Datoritafaptului ca in lucrarea prezenta nu am nevoie de fine ridicata din partea PWM-uluiam utilizat doar primii 2 timeri mentionati.

Fiecare driver are o frecventa pentru care trebuie dat PWM-ul. In cazul DRV8833 acesta este 20KHz. Cu ajutorul timerelor trebuie sa ajung la o frecventa cat maiapropiata de cea nominala. Formula dupa care se seteaza frecventa PWM-ului este:

f PWM=f OSC

2⋅N⋅1OCRnx(4.1)

unde :

19

- fPWM - frecventa PWM- fOSC - frecventa Oscilatorului- N - valoarea prescaler-ului- OCRnx - un registru de 8 biti

Sunt 2 tipuri principale de generare a PWM-ului: faza corecta si PWM rapid.Principala diferenta intre cele 2 tipuri de generare a PWM-ului este ca cel rapid are ofrecventa de 2 ori mai mare fata de cel cu faza corecta.

In lucrarea aceasta am folosit un oscilator extern, deoarece este mult maiprecis si confera putere de calcul mult mai mare decat cel intern. Oscilatorul folositeste de 16MHz. Registrul OCR a fost folosit la valoarea sa maxima (0xFF), iar laprescaler-ul l-am folosit de 8.

In urma calculelor frecventa PWM-ului este de aproximativ 4KHz. FolosindPWM rapid am ajuns la o frecventa destul de buna de 8KHz.

Mufele destinate motoarelor au fost facute pentru a controla simultan pe o axacate 2 motoare in aceeasi directie. Astfel gruparile de pini M1 si M2 sunt destinatecontolului directiei motoarelor.

In cazul oscilatorului extern am folosit condensatorii C3 si C4 pentru a filtraorice tip de zgomot, iar pe trasarea layout-ului am incercat pe cat posibil plasareaoscilatorului mai aproape de pinii microcontrolerului, la fel si a condensatorilo deoscilator.

Pinul de RESET avand o logica negata am pus o rezistenta de 10KΩ trage sus,iar pentru resetare am adaugat un buton catre borna minus si un alt traseul careRESET de la grupul de pini ISCP.

Programarea se face cu ajutorul unui Programator ICSP, in cazul acesta amfolosit un AVRISP mkII. Pinii necesari programarii sunt : MISO, MOSI si SCK la carese alatura pinul de RESET, tensiunea de alimentare a microcontrolerului si masa.

Comunicatia seriala se face prin pinii RX si TX. In gruparea destinataschimbului de date cu calculatorul am adaugat si masa pentru a avea aceeasireferinta intre PC si placa cu microcontroler. Conectarea cu o mufa DB9 este simplafiind necesar conectarea pinuilui RX de la microcontroler in pinul TX de la mufa DB9si viceversa. Aceasta confera cu ajutorul unui terminal o calibrare mult mai usoara.

Microcontrolerul trebuie alimentat pe toare cele 4 grupuri de alimentari, unape fiecare latura a sa. Gruparea de condensatori de 100nF (C14, C15, C19, C20) estefolosita pentru filtrarea acestor alimentari datorita diverselor surse de zgomot.Acestia sunt plasati la fel ca in cazul oscilatorului la o distanta cat mai mica fata depinii microcontrolerului.

20

Am utilizat un intrerupator electric de tip DIP (dual in line package) in loculunor blocuri cu jumperi, avantajul fiind schimbul starilor mult mai usor si lipsapieselor mici (jumperii propriu-zisi) care se pot pierde usor. Acesta are 4 switch-uriindependente fiecare avand cate o rezistenta de 10KOhmi, care imi permite 16 staridiferite. Functia sa principala este de a selecta diferitii algoritmi de reglare.

Stabilizatorul de tensiune LM 317

Stabilizatorul de tensiune LM 317 este un circuit integrat cu 3 terminale care sepoate tensiunea de iesire de la 1,2V pana la 37V. O alta caracteristica a acestuidispozitiv este ca poate sa furnizese peste 1,5A. Diferenta de tensiune se face prineliminare de caldura. Circuitul are sistem de protectie integrat pentru diferite stari deintrare in defect. Curentul este limitat intern la fel si dispozitivul se inchide singur incazul incalzii peste parametrii de functionare.

LM 317 vine intr-o capsula To220 fiind una din cele mai utilizate capsule. Deschizatura din mijlocul lamelei de racire permite plasarea unui radiator pentru a mari durata de viata a integratului. Pinii dupa cum se poate vedea si in figura de maisus sunt de la stanga la dreapta Adj, Out, In.

Reglarea stabilizatorului la o anumita tensiune se face fie cu 2 rezistente fie cuo rezistenta si un potentiometru. Se face dupa urmatoarea formula:

V OUT=1,25∗(1+R1

R2

)+I ADJ∗R2 (4.2)

Rezistentele se vor plasa intre : R1 inte pinii Adj si Out, iar R2 intre Adj simasa. In schema urmatoare o sa prezint modul de legare in curcuit a stabilizatorului

21

Figura 4.9 Terminale LM 317

de tensiune:

In schema de proiectare se pot vedea cei 2 condensatori pe intrare si pe iesirecare sunt de filtrare si de decuplare. In plus se observa un led si o rezistenta pentru asemnaliza alimentarea circuitelor si functionarea adecvata a integratului, rezistentaeste pusa pentru a limita curentul scurs prin led.

Am ales un circuit de stabilizare la 3,3V pentru alimentarea modulului deaccelerometru si giroscop. Datorita compatibilitatii microcontrolerului cu tensiunearedusa, dar si a driverelor care au limita inferioara pe pinii de comanda este 2V, iarpe pinul de enable nSLEEP este 2,5V am ales alimentarea tuturor componentelor,deoarece simplifica schema placii de comanda si nu necesita trecerea de la un nivellogic la altul in cazul comunicatiei cu modulul de accelerometru si giroscop.

MPU 6050

MPU (Motion Processing Unit) este un modul al unui circuit integrat carereturneaza citirile de la un accelerometru pe 3 axe, la fel si la un giroscop pe 3 axe.

22

Figura 4.10 Schema bloc LM 317

Figura 4.11 MPU 6050

Interfata in care un dispozitit este sensibil la miscare incepe din ce in sacreasca in noile dispozitive electronice si electrocasnice. Acestea se gasesc in telefoanemobile, console de jocuri si televizoare Smart, metoda intuitiva de utiliziare conferautilizatorilor interactiunea cu dispozitivele electrice mult mai placuta datoritamiscarilor in aer liber care sunt vazut direct comenzi catre dispozitiv.

Cateva posibile aplicatii ale MPU 6050:

– controlere de jocuri bazare pe miscare

– stabilizarea imagini/video

– comenzi bazate pe gesturi

– senzori care se pot purta pentru fitnes/sporturi

– jucarii

MPU 6050 inglobeaza 3 axe pentru accelerometru care sunt citite cu ajutorul a3 convertoare analog – numerice pe 16 biti si 3 axe pentru giroscop care suntdeasemenea citite cu ajutorul a 3 concertoare analog – numerice tot pe 16 biti. Pentruprecizie ridicata se pot alege diferite trepte de finete pentru:

– accelerometru ±2g ,±4g ,±8g ,±16g

– giroscop ±250 ,±500 ,±1000 ,±2000 °/sec (dps).

Comunicarea cu alte dispozitive se face printermediul interfetei I2C (InterIntegrated Circuit). MPU 6050 are un buffer de tip FIFO (First In First Out) de 1024de octeti care ajuta la scaderea consumului de energie prin citirea rapida de la senzora valorilor si memorarealor la nivel de procesare.

Alimentarea acestui circuit se face la o tensiunea in intervalul 2,37V – 3,46V,aceasta se face pe pinul VDD al circuitului integrat. Acesta mai dispune de inca unpin de alimentare pentru interfata I2C numit generic VIO (V Input/Output).

Interfata I2C este un sistem de comunicatie seriala care utilizeaza doar 2 liniibidirectionale, SDA (Serial Data Line) si SCL (Serial Clock) cu rezistente trage sus.Cele mai intalnite logici de tensiune pentru utilizarea interfetei sunt +5V sau +3,3Vdesi sisteme cu alte plaje de tensiune permit folosirea ei. Interfata I2C are un designde referinta de cate 7biti sau 10 biti (depinde de dispozitivul utilizat) spatiu deadresare. Cele mai comune viteze sunt la 100Kb/s modul standard si 10Kb/s modelde viteza mica de transmisie.

23

Cele mai recente imbunatatiri ale I2C-uluifunctioneaza la viteze cu mult maimari:

– fast mode – 400Kb/s

– fast mode plus – 1Mb/s

– high speed mode – 3,4Mb/s

Aceste viteze sunt utilizate deobicei utilizate pe sisteme embeded mai multdecat pe PC. O alta imbunatatire este adresarea pe 16biti.

Comunicatia cu registrii dispozitivului se face prin intermediul protocoluluide comunicare I2C la o frecventa de 400 Khz.

Dispozitivul ofera performante inalte, zgomot redus cu ajutorul filtrelor si nueste greu de folosit desi el datorita tehnitogiilor folosite are o dimensiune de numai4x4x0.9 mm. Nici pretul acestui dispozitiv nu este ridicat, acesta fiind un motiv inplus pentru achizitionarea sa.

Pinii cu care se conecteaza acest dispozitiv sunt:– VDD – tensiunea de alimentare (3,3V)– GND – masa (0V)– INT – pin utilizat in intreruperi

24

Figura 4.12 MPU 6050 configuratie pini

– SYNC – sincronizarea – SCL – comunicatie I2C cu AT mega – SDA – comunicatie I2C cu AT mega– VIO – tensiunea de alimentare pentru comunicatia prin I2C– CLK – ceasu – ASCL – comunicatie I2C cu alte periferice– ASDA – comunicatie I2C cu alte periferice

Conectarea acestui dispozitiv intr-oschema electrica este simpla. Se folosescdoar 5 pini: alimentarea de 3,3V se leaga de pinii VDD si VIO, masa circuitului seleaga de GND, iar pinii SCL si SDA se leaga direct la pinii SCL si SDA aimicrocontrolerului.

In diferite intrebuintari se utilizeaza si restul de pini cum ar fi: pinul de SYNCse leaga de diferite dispozitive care fac procesare de imagini, video sau GPS; pinulINT pentru utilizarea intreruperilor. In cazul in care se doreste utilizarea diferiteordispozitive periferi prin intermediul MPU 6050 se vor utiliza pinii ASDA si ASCLpentru comunicatie.

Principalele avantaje ale MPU6050:

– iesiri digitale corespunzatoare celor 3 axe (X,Y,Z)– convertoare analog – numerice pe 16 biti pentru citirea accelerometrului si a

giroscopului– alegerea diferitelor trepte de finete in cazul accelerometrului dar si a

giroscopului– reducerea zgomotelor prin utilizarea filtrelor– curentul necesitat la operare mic– curentul necesitat in stand by mic– magistrala a doua I2C pentru utilizarea unui magnetometru– dimensiune si greutate foarte mica– buffter FIFO de 1024 de octeti– comunicatie la 40 KHz prin interfata I2C

Functionarea dispozitivului in parametrii nominali se face respectandurmatorele valori:VDD(alimentare) 2,37V – 3,46V

VIO VDD ±0,5

Tensiune intrare pini VDD ±0,5

Temperaturi suportate -40°C pana la +105°C

Talbel 4.6 Vlori nominale MPU 6050

25

In figura 4.13 voi prezenta rezultatul driverului in urma tuturor proceselor deproiectare, expunere, developare si lipire:

4.1.3. Suportul mecanic

Suportul mecanic a fost implementat in AutoCAD 2008. Acesta are sarcina dea sustine toate componentele electrice dar si mecanice fiind scheletul din corpulrobotului. Acesta se contruieste din 5 bucati: etajul si cele 4 picioare.

Etajul sustine toate componentele de electronica: placile de driver si placa demicrocontroler. Acestea vor fi prinse cu ajutorul unor suruburi si piulite. Datoritamaterialului utilizat (plexiglas de 3mm) nu v-a fi nevoita izolarea intre placi si etaj.Gaurile pentru sustinerea picioarelor au proiectate decalate in sens anti-trigonometric. Acest spatiu a fost necesar datorita axului de la motoare si rotii atasatape ax pentru a avea o suprafata cat mai mare de frictiune cu bila.

Gaurile pentru sustinerea placii cu microcontroler au fost date astfel incatmodulul MPU 6050 este plasat in centrul cercului si axele sale aliniate cu liniile

26

Figura 4.13 Placa microcontroler

motoarelor care sunt diametral opuse 2 cate 2. Acesta plasare ma v-a scapa de calculein plus in timpul programarii de a compensa diferenta de unghi.

In figura4.14 voi prezenta etajul si piciorul in urma proiectarii:

Piciorul a fost taiat tot din plexiglas de 3mm va fi prins cu ajutorul unorsuruburi prin gaurile date in etaj si va sustine toata greutatea etajului cu acumulatorsi cu placi. Se va prinde in partea inferioara motorul .

Dupa prima asamblarea am constatat ca picioarele nu erau stabile si nustateau la un unghi de 90 de grade fata de etajul robotului. Solutia a fost sa pun cate 4intarituri in forma de L la fiecare picior cate 2 pe interior si cate 2 pe exterior. Acesteaau fost lipite cu un adeziv facut din rasina si intaritor.

O alta problema a mai aparut dupa ce am lipit inaritorii pentru picioare.Suportul pentru motoare fiind din plexiglas de 3mm avea proprietati elestice si seputeau indoi foarte usor; solutia a fost atasarea in partea de jos a etajului a unei bileomnidirectionale pentru a putea mentine rotile robotului la mijlocul bilei.

Legaturile intre toate modulele electronice se fac cu ajutorul pamblicilor sau afirelor. In implementarea placilor am folosit 2 tipuri de conectori: conectori cu surubpentru alimentare si legarea motoarelor la drivere si conectori de tip pinhead de tiptata pentru locurile unde erau semnale de 3,3V. Pamblicile au fost facute din bagetede tip pinhead mama, iar pentru alimentare si pentru conectarea motoarelor amfolosit cabluri cu fire de cupru.

27

Figura 4.14 Etaj + picior AutoCAD

4.2. Alte module

4.2.1 Motoare

Este elementul care asigura deplasarea robotului, deci este probabil cea maivitala piesa din robot. Probabil cel mai utilizat tip de motoare in practica este cel decurent continuu. Acestea se pot imparti in motoare de curent continuu fara perii simotoare de curent continuu cu perii.

Motoarele de curent continuu fara perii

Este un motor electric de curent continuu la care comutatia necesara invartiriirotorului se realizeaza electronic. Mai este numit si motor fara colector deoareceacestuia ii lipsesc periile si colectorul fata de omologul sau.

Controlul acestui motor se face cu un microcontroler numit ESC (ElectronicSpeed Controll). Acest sistem de comanda trebuie ii trebuie 2 module principale:senzori Hall si drivere. Microcontrolerul trebuie sa citeasca pozitia rotorului cuajutorul senzorilor si sa comute polaritatea magnetilor din stator simultan in functiede pozitia acestui.

Avantajele acestui motor sunt :

28

Figura 4.15 Motor de curent continuu fara perii

– randament mare– se incalzeste greu – nu necesita intretinere speciala

Controlul acestui tip de motor este mai dificil si un impediment ar fi costul defabricatie ridicat.

Motoarele de curent continuu cu perii

Este un motor electric asemanator cu cel fara perii, dar pentru a comuta se vaschimba polaritatea rotorului.

Acest tip de motor dupa cum se vede in figura 4.16 nu necesita nici un fel desistem de control ar rotorului perii fac singuri controlul rotorului polarizand singuricand ajung in dreptul unei borne un alt electromagnet, iar electromagnetul careajunge in dreptul bornei ramane nepolarizat. Toata procedura se realizeaza cuajutorul comutatoarelor in forma de arce de cerc.

Problema intervine din cauza frecarii daca nu este controlat corespunzatorpoate sa se incalzesca fie pana cand perii se lipesc de colector sau nu mai fac contact.

Motoarele de curent continuu sunt cel mai usor de controlat: pentru o directiese polarizeaza bornele intr-un fel (exemplu: borna A – V+ si borna B – V- ), iar pentrusensul celalat se schimba sennsul de circulare al curentului (exemplu: borna B – V+ siborna A – V- ).

29

Figura 4.16 Motor de curent continuu cu perii

In cazul ambelor motoare cel mai utilizat driver este cel in forma de punte H.Am ales utilizarea motoarelor de curent continuu cu perii datorita controlului

extrem de usor, in sistemul in care le voi utiliza ele nu vor fi suprasolicitate sausolitcitate pe o perioada de timp indelungata, deci nu se vor incalzi foarte mult sidatorita pretului care este relativ redus.

Motorul Micro Metal Gearmotor 50:1 HP

Motoarele alese pentru executarea comenzilor sunt “Motorul Micro MetalGearmotor 50:1 HP”. Aceste motoare au dimensiuni mici dand impresia unei formelunguiete de 9.3mm.

Sunt facute pentru a functiona la tensiunea nominala de 6 V si consuma100mA cand se lasa sa se invarta libere. In conditii de opunere la sensul de rotatie eleajung la un consum de 1600mA.

Motorul are un reguductor de metal format din roti dintate ce determina unraport de reducere a turatiei de 50:1. Viteza rezultata pe axul care iese din cutia de lareductor este de 625 RPM (Rotatii pe minut). Cuplul catigat este de 1.1 Kg – cm .

In general motoarele pot functiona maxim la o data si jumatatate din tensiunealor nominala si minim la jumatate din tensiunea nominala. In cazul de fata tensiuneade utilizare va fi de [3 – 9]V. Inceperea rotirii axului se face in jur de 0.5V.

Axul care iese din cutia de reductie este de tip D si pe el se va atasa roata si arelungimea de 3mm.

Roata utilizata va fi modelul “Solarbotics RW2i” care este din cauciuc. Are ojeanta din aluminiu si un surub pentru fixare sub cauciuc. Aceasta fixare internaeconomiseste spatiu atunci cand esti constrans.

30

Figura 4.17 Microgear

Diametrul rotii este de 31.2mm si latimea de 13.2mm. Jeanta este facuta pentruaxuri de 3mm. Fixarea se face cu ajutorul unui imbus de 1.2mm.

Am ales aceste roti datorita coeficientului ridicat de frecare intre roata si bila;bila fiind din acelasi material.

4.2.2. Acumulatorul

Voi incepe cu descrierea catorva tipuri de acumulatori:

Bateriile alcaline

Depind de reactia dintre Zinc si Dioxid de Magneziu. Au o capacitate mare deinmagazinare a energiei electrice, dar curentul pe care il pot suplini este directproportional cu marimea sa fizica. In general acumulatorii bateriile de tip AA potoferi 700mAh.

Au 1,5V pe celula, tensiunea oscileaza in timpul descarcarii. Depinde depuritatea Dioxidului de Magneziu, o celula poate sa ajunga la o tensiune de 1,65V. Intimpul descarcarii celula oscileaza intre 1.1V si 1.3V. O celula complet descarcata aretemsiunea la borne de 0.8V.

Utilizare lor este in aparate foto, jucarii etc.

Acumulatorii NiCd

Curentul maxim pe care il pot da variaza cu marimea acumulatorului. Potoferi pana la 3C (de 3 ori amperajul pe care il au).

Tensiunea pe celula este de 1.2V. Desi este mai joasa de 1.5V pe celula ca labateriile alcaline, care este tensiune cand sunt incarcate si nu tensiunea medie, laacumulatorii de NiCd tensiunea scade foate putin in timpul descarcarii. Uneori sepune problema de realizare cand este acumulatorul descarcat datorita diferenteinesemnificative. Celula de NiCd cand este descarcata are o tensiune la borne de 1V.

Utilizare: iluniarea de urgenta, telefoane wireless si diferite modele de jucari.

Acumulatorul de LiPo

Acumulatorii de LiPo au cea mai mare densitate de energie ~120Wh/kg. Curentul oferit in timpul utilizarii poate sa fie 25C (cazul in care un acumulator are1Ah acesta pote sa furnizeze 25A maxim).

31

Tensiunea pe o celula este de 3,7V. Tensiunea variaza direct proportional cuprocentul de incarcare al bateriei. Variatia incarcat – descarcat este de 0.5V pe celula.

Utilizarea lor este cel mai des intalnita in aparatele comandate prin underadio, dupa in proiectele facute in casa si in vehiculele electrice.

Am ales ultimul tip de acumulator, cel de LiPo, deoarece are densitatea deenergie cea mai mare si si datorita posibilitatii de descarcare foare mare.

Acumulatorul ales de mine este de la firma Kingmax. Are tensiunea de 7,4Vceea ce faciliteaza motoare, deoarece este in plaja lor de utilizare de [3 – 9]V. Acestafaciliteaza si controlul de tensiunea asupra stabilizatorului de tensiune la 3,3V,aceasta rezultand intr-o degajare de caldura cat mai mica si largind viata LM 317.Datorita tensiunii de 7,4V ne putem da seama ca este alcatuit din 2 celelule fiecare acate 3,7V.

Are capacitatea de a furniza 1Ah si puterea de a furniza pana la 25A, in ciudadimensiunilor reduse.

Cum am vorbit pana acum de toate partile bune ale acumulatorului de LiPo,acum voi spune cateva riscuri si limitari ale acumulatorului de LiPo

– supraincarcarea poate duce la o explozie sau imflamarea acumulatorului– nu trebuie incarcata pana la 100% din potential dar nici descarcata pana la 0%

din potential, deoarece ii scad performantele, trebuie lasata o marja de minim

32

Figura 4.18 Acumulator

7% si in felul acesta i se dubleaza numarul de cicluri de viata– se recomanda utilizare unor dispozitive specifice de incarcare pentru a evita

expozia sau imflamarea– exploziile pot sa apara in urma unor socuri sau a unui scurt – circuit

4.3. Control

a

33

5. Concluzii

In urma implementarii si reglarii acestui robot am ajuns la urmatoareleconcluzii:

– am reusit constructia unui robot care trebuie sa isi mentina echilibrul pe o bila– am studiat diverse modele de roboti si diverse componente harware pentru a

achizitiona componentele– exista deja arhitecturi de roboti mobili dinamic, scopul meu a fost sa

implementez un algoritm de reglare bazat pe LBC (Logic Based Control)– scopul meu a fost sa implementez un robot care sa aiba o interactiune cat mai

placuta cu utilizatorul– in afara de componentele fizice codul de reglare are o importanta majora

Imbunatatiri pe viitor:

– schimbarea motoarelor in favoare unora cu cuplu mai mare – schimbarea bilei cu una mai mare– dupa reusirea mentinerii echilibrului metastabil conectarea la un dispozitiv

wireless si controlarea miscarilotr acestuia

34

6.Bibliografie

Oltean G., 2003. Dispozitive si circuite electronice, Risoprint, Cluj - NapocaLauwers T., Kantor G., Hollis R. 2005. One is Enough! 12th Int'l Symp. on

Robotics Research, San Francisco, October 12-15Peter F., Corsin G. 2010 Modeling and Control of a Ballbot Teza de licentaAtmel 2013 Datasheet Atmega 324P www.atmel.com, accesat august 2013Texas Instruments 2013 Datasheet DRV 8833 www.ti.com, accesat august 2013Fairchild Semiconductor 2013 Datasheet LM 317 www.fairchildsemi.com,

accesat august 2013IvenSense 2013 Datasheet MPU 6050 www.ivensense.com, accesat august 2013

35