LUCRARE DE LICENŢĂ -...

București 2013

Universitatea Politehnica Bucureşti Facultatea de Automatică şi Calculatoare

Departamentul de Automatică și Ingineria Sistemelor

LUCRARE DE LICENŢĂ

Proiectarea unui robot autonom mobil

Absolvent

Toader M. Ștefan

Coordonator

Prof. dr. ing. Sgarciu Valentin

1

Cuprins Introducere ................................................................................................................................ 3

Capitolul 1: Roboți .................................................................................................................... 4

1.1. Ce este robotul? ............................................................................................................................... 4

1.2. Definițiile robotului. .......................................................................................................................... 4

1.3. Schema bloc a robotului industrial ................................................................................................ 5

1.4. Clasificarea roboţilor ........................................................................................................................ 5

1.5. Arhitectura roboților ......................................................................................................................... 6

1.5.1. Sistemul senzorial .................................................................................................................... 6

1.5.2. Sistemul de acţionare și sistemul de transmisie .................................................................. 7

1.5.3. Sistemul decizional ................................................................................................................... 7

1.6 Microcontroler ................................................................................................................................... 7

1.6.1 Utilizarea microcontrolerelor .................................................................................................... 9

1.6.2 Arhitectura unității centrale ....................................................................................................... 9

1.6.3 Memoria ....................................................................................................................................12

1.6.4 Limbaje de programare ...........................................................................................................13

1.6.5. Criterii de alegere a unui microcontroler .............................................................................14

Capitolul 2: Medii de programare folosite ............................................................................. 15

2.1. Eclipse SDK 4.2 .............................................................................................................................15

2.1.1. Ce este nou in v4.2 ................................................................................................................16

2.1.2. Ce este Eclipse şi Organizaţia Eclipse? .............................................................................16

2.1.3. Un model unic pentru dezvoltarea open source ................................................................18

2.1.4. Istoria Eclipse ..........................................................................................................................19

Capitolul 3: Bluetooth ............................................................................................................. 21

3.1. Ce reprezintă Bluetooth ? .............................................................................................................21

3.1.1. Istorie ........................................................................................................................................21

3.1.2. Implementare ..........................................................................................................................22

3.2. Versiuni de Bluetooth ....................................................................................................................22

3.3. Utilizarea Bluetooth .......................................................................................................................23

3.3.1. Stiva de protocoale.................................................................................................................23

2

3.3.2. Legăturile vocale şi de date ..................................................................................................25

3.4. Comunicaţia Bluetooth ..................................................................................................................26

3.4.1. Descoperirea dispozitivelor Bluetooth .................................................................................26

3.4.2. Conectarea la o bază de date Service Discovery .............................................................26

3.4.3. Conectarea la un serviciu Bluetooth ....................................................................................27

3.4.4. Moduri de descoperire și conectare ....................................................................................27

3.5. Stiva de protocoale Bluetooth ......................................................................................................27

3.5.1. Protocoale utilizate de Bluetooth..........................................................................................27

3.5.2. Protocoale ale Nucleului Bluetooth ......................................................................................29

Capitolul 4: Proiectarea și implementarea sistemului .......................................................... 31

4.1. Prezentarea și obiectivele sistemului .........................................................................................31

4.2. Componente hardware .................................................................................................................32

4.2.1. Arduino UNO R3 .....................................................................................................................32

4.2.2. Senzor de distanță HC-SR04 ...............................................................................................34

4.2.3. Modul Bluetooth HC-05 .........................................................................................................35

4.2.4. Driver de Motoare ...................................................................................................................36

4.2.5. Elemente de acționare ...........................................................................................................37

4.3. Arhitectura hardware a robotului .................................................................................................38

4.4. Componente software ...................................................................................................................43

4.4.1. Algoritmul aplicației smartphone ..........................................................................................43

4.4.2. Algoritmul programului Arduino ............................................................................................46

4.5. Etapele construirii robotului ..........................................................................................................49

Concluzii .................................................................................................................................. 51

Anexe ....................................................................................................................................... 52

Listă imagini, tabele și abrevieri ............................................................................................ 55

Bibliografie .............................................................................................................................. 56

3

Introducere

Încă din antichitate omul si-a confecționat in diferite forme și grade diferite de complexitate unelte pentru a simplifica sau înlocui munca fizică. Aici se înscriu şi roboţii, ocupând o poziţie superioare in clasament mai ales datorită complexităţii lor.

Noţiunea de robot datează de peste 4000 de ani. Omul şi-a imaginat dintotdeauna dispozitive mecanice inteligente care să ii ușureze munca zilnică și efortul fizic depus. Astfel a construit diverse mașinării automate, sau mai puțin automate, și-a imaginat fel de fel de roboti, iar revoluția informatica a marcat saltul de la societatea industrializată la societatea avansat informatizată.

Termenul de "robot" a fost folosit prima data in 1920 de cehul Karel Capek într-o piesa numită "Robotul universal al lui Kossum". Ideea acestei piese era una simpla, oamenii creau robotul, iar acesta își omora creatorul. In continuare majoritatea filmelor și cărților pe aceasta tema prezentau robotii ca fiind maşinării dăunătoare și distrugătoare.

Roboţii, in special cei industriali, oferă beneficii substanțiale omenirii. Aceștia pot influenţa pozitiv calitatea vieţii prin înlocuirea omului in muncile grele, in spaţii periculoase, unde condiții de mediu sunt dăunătoare omului.

Domeniile de aplicare a roboților se lărgesc mereu, aceștia fiind deja utilizați in industrie , transporturi și agricultura, in cercetare științifica, in explorarea oceanelor și a spațiului cosmic.

Lucrarea de fata prezintă modul de proiectare și realizare a unui mic robot echipat cu o placa de dezvoltare Arduino UNO și diferiți senzori, ce poate comunica cu un smartphone prin intermediul unei conexiuni Bluetooth.

4

Capitolul 1: Roboți

1.1. Ce este robotul?

Un robot este un operator mecanic sau virtual, artificial. Robotul este un sistem compus din mai multe elemente: mecanică, senzori și actuatori precum și un mecanism de direcționare. Mecanica stabilește înfățișarea robotului și mișcările posibile pe timp de funcționare. Senzorii și actorii sunt întrebuințați la interacțiunea cu mediul. Mecanismul de direcționare are grijă ca robotul să-și îndeplinească obiectivul cu succes, evaluând de exemplu informațiile senzorilor. Acest mecanism reglează motoarele și planifică mișcările care trebuiesc efectuate.

Isaac Asimov publica în anul 1942 în nuvela numit "Runaround" trei legi:

Un robot nu poate afecta existenţa umană sau datorită inacţiunii sale să permită existenţei umane să meargă către distrugere.

Un robot trebuie să îndeplinească sarcinile date de om cu excepţia celor care vin în conflict cu prima lege.

Un robot trebuie să se protejeze singur contra distrugerii cu excepţia cazurilor ce fac obiectul legii întâi sau legii a doua.

1.2. Definițiile robotului.

Definiţiile robotului se referă la mişcare sau la funcţionarea într-un mediu anume:

conform specialiştilor japonezi robotul este un dispozitiv mecanic acţionat cu forţe motrice cu comandă inteligentă și care acţionează conform voinţei umane;

Institutul Francez de Standardizare defineşte robotul ca fiind un manipulator automat reprogramabil și polivalent, capabil să realizeze poziţionarea şi reorientarea pieselor printr-o mişcare variabilă și programabilă a braţelor terminale, prin intermediul unor dispozitive;

Institutul American de Robotică consideră robotul ca fiind un operator reprogramabil și multifuncţional pentru deplasarea obiectelor pe traiectorii stabilite anterior în realizarea unor sarcini concrete;

În literatura românească de specialitate robotul este definit ca fiind un echipament automat, adaptabil prin reprogramare la condiţiile de mediu în care acţionează.

Robotica este acea parte a ştiinţei care se ocupă cu studiul operaţiilor umanoide şi se situează la frontiera mecanicii cu informatica, electrotehnica, electronica și ştiinţa sistemelor și calculatoarelor, termotehnică, hidraulică. Operaţiile umanoide sunt operaţiile efectuate de către om cu ajutorul braţelor şi picioarelor coordonate de organele de simţ.

5

1.3. Schema bloc a robotului industrial

Figura 1.1. Schema bloc a robotului industrial

Pe lângă caracteristicile specifice oricărui sistem mobil: dimensiuni, deplasări realizate, precizie, repetabilitate, tip de acționare, sarcină transportată, viteză de deplasare, există caracteristici specifice robotului, cum ar fi: număr de grade de libertate, volumul spațiului de lucru, adaptabilitate la mediu, programabilitate, fiabilitate.

Pe baza acestor caracteristici s-au definit generațiile de roboți:

Generația I - roboți ce acționează pe baza unui program flexibil prestabilit prin învățare directă

Generația II - roboți cu un program flexibil prestabilit, ce se poate modifica pe baza informaţiilor furnizate de sistemul senzorial;

Generaţia III - roboţi ce înglobează elemente de inteligenţă artificială.

1.4. Clasificarea roboţilor

din punctul de vedere al gradului de mobilitate se cunosc: roboți ficși roboți mobili

din punct de vedere al informației de intrare și a metodei de instruire există: roboți acționați de om roboți cu sistem de comandă cu relee(secvențial) roboți cu sistem secvențial cu program modificabil roboți repetitori( cu program prin instruire) roboți inteligenți

din punct de vedere al sistemului de coordonate roboţii sunt în sistem de coordonate: carteziene (18%) cilindrice (33%) sferice (40% )

din punct de vedere al sistemului de comandă:

6

comandă punct cu punct (unde nu interesează traiectoria propriu-zisă) comandă pe contur (implică coordonarea mişcării axelor) comandă pe întreaga traiectorie (implică toţi parametrii de mişcare)

din punct de vedere al sarcinii manipulate din punct de vedere al sistemului de acţionare:

hidraulică (40%) electrică(30% ) pneumatică (21% ) mixtă

din punct de vedere al preciziei de poziţionare: sub 0,1 mm (0,1 ÷ 0,5) mm (0,5 ÷ 1) mm (1 ÷ 3) mm peste 3 mm;

din punctul de vedere al tipului de programare: cu programare rigidă (fără posibilităţi de corecţie) cu programare flexibilă (există posibilitatea modificării programului) cu programare adaptivă (există posibilitatea adaptării automate a programului în

timpul funcţionării)

1.5. Arhitectura roboților

Arhitectura internă a unui robot conţine cinci sisteme importante, fiecare dintre acestea aparţinând unui domeniu al tehnicii clasice:

sistemul mecanic de susţinere şi al articulaţiilor (cuplelor de rotaţie şi de translaţie) sistemul de acţionare (hidraulic, pneumatic, electric sau mixt) sistemul de transmisie al mişcării sistemul senzorial (intern și extern) sistemul decizional

1.5.1. Sistemul senzorial

Funcţiile sistemului senzorial sunt de a prelua informațiile din mediu, și de a le pune la dispoziție sistemului decizional in vederea creării de comenzi.

Clasificare :

senzori interni - plasaţi pe buclele interne de reglare și ajută la descrierea traiectoriei segmentelor mecanice componente

senzori externi - se utilizează pe buclele externe pentru coordonarea traiectoriei generale a ansamblului

senzori de securitate - utilizaţi pe buclele interne sau externe de reacţie pentru sesizarea pericolelor (ciocniri, creşterea temperaturii etc. )

7

Senzorii interni sunt în general de tip poziţie și deplasare. Cei mai utilizaţi în acest caz sunt senzorii de tip rezistiv și cei de tip optic. Sistemele senzoriale de tip optic conţin un generator de flux luminos (de regulă un LED) și un element receptor(fototranzistor sau fotocelulă). Cei mai utilizaţi senzori pentru distanța sunt, datorită raportului preţ/precizie sunt senzorii optici în infraroşu şi senzorii cu ultrasunete, formaţi dintr-un emiţător de undă şi un receptor comandat în fază cu emiţătorul.

Senzorii externi sunt senzori de efort (în general au la bază mărci tensometrice plasate pe concentratoare de efort), senzori de alunecare sau senzori tactili.

Sistemul senzorial de securitate are rolul de a evita coliziunile când apar regimuri de funcţionare sau obstacole neprevăzute.

1.5.2. Sistemul de acţionare și sistemul de transmisie

Sistemul de acţionare se alege în funcţie de clasa de operaţii ce trebuie executate, în funcţie de modul de lucru, de viteza de deplasare, de sarcină și de spaţiul de mişcare precum și de precizia de poziţionare. Astfel există:

sisteme de acţionare electrică (aproximativ 30% din numărul acestora) sisteme de acţionare pneumatice (cam 21% din cazuri) sisteme de acţionare hidraulice pentru sarcini mari şi deplasări limitate în spaţiu. sisteme de acţionare mixte (9% din variantele constructive) - de tip electropneumatic

sau electrohidraulic

1.5.3. Sistemul decizional

Pentru a fi considerat inteligent (sau autonom), un robot, in ziua de azi, are nevoie de măcar un microcontroler pentru a putea procesa informațiile preluate de senzori din mediu. După procesarea datelor trebuie luată o decizie, și o comanda este trimisa către elementele de execuție.

1.6 Microcontroler

Un microcontroler( prescurtat µC, uC sau MCU) este în esenţă o configuraţie

minimală de sistem de calcul, capabil să execute la o viteză foarte mare instrucţiunile

unui program stocat în memorie; acest program este o secvenţă logică de operaţii ce

poate implementa algoritmii necesari pentru controlul proceselor.

Microcontrolerul are integrat pe acelaşi chip: oscilatorul, memoria (RAM, ROM,

EEPROM), numărătoare, blocuri analogice, interfeţe de comunicaţie și porturi de intrare-

ieşire.

8

La modul general un controler este, actualmente, o structură electronică

destinată controlului unui proces sau, mai general, unei interacțiuni caracteristice cu

mediul exterior, fără să fie necesară intervenția operatorului uman.

Primele controlere au fost realizate în tehnologii pur analogice, folosind

componente electronice discrete și/sau componente electromecanice (de exemplu

relee). Cele care fac apel la tehnica numerică modernă au fost realizate inițial pe baza

logicii cablate (cu circuite integrate numerice standard SSI și MSI ) și a unei electronici

analogice uneori complexe, motiv pentru care ocupau dimensiuni mari, aveau un

consum energetic pe măsură și, nu de puține ori, o fiabilitate care lăsa de dorit.

Apariția și utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducere consistentă a

costurilor, dimensiunilor, consumului și o îmbunătățire a fiabilității. Există și la ora

actuală o serie de astfel de controlere de calitate, realizate în jurul unor microprocesoare

de uz general cum ar fi Z80 (Zilog), 8086/8088 (Intel), 6809 (Motorola), etc.

9

1.6.1 Utilizarea microcontrolerelor

Toate aplicațiile în care se utilizează microcontrolere fac parte din categoria sisteme încapsulate-integrate (“embedded systems”), la care existența unui sistem de calcul incorporat este transparentă pentru utilizator.

Printre multele domenii unde utilizarea lor este practic un standard industrial se pot menționa: în industria de automobile (controlul aprinderii/motorului, climatizare, diagnoză, sisteme de alarmă, etc.), în electronice de consum (sisteme audio, televizoare, camere video și videocasetofoane, telefonie mobilă, GPS-uri, jocuri electronice etc.), în aparatura electrocasnică (mașini de spălat, frigidere, cuptoare cu microunde, aspiratoare), în controlul mediului și climatizare (sere, locuințe, hale industriale), în industria aerospațială, în mijloacele moderne de măsurare - instrumentație (aparate de măsură, senzori și traductoare inteligente), la realizarea de periferice pentru calculatoare, în medicină.

Ca un exemplu din industria de automobile, unde numai la nivelul anului 1999, un BMW seria 7 utiliza 65 de microcontrolere, iar un Mercedes din clasa S utiliza 63 de microcontrolere. Practic, deși am prezentat ca exemple concrete numai sisteme robotice și mecatronice, este foarte greu de găsit un domeniu de aplicații în care să nu se utilizeze microcontrolerele.

1.6.2 Arhitectura unității centrale

Arhitectura unității centrale de calcul (CPU) este unul din elementele cele mai

importante ce trebuie avut în vedere în analiza oricărui sistem de calcul. Principalele

concepte luate în considerare și întâlnite sunt următoarele:

Arhitecturi de tip " von Neumann "

Microcontrolerele bazate pe această arhitectură au o unitate centrală (CPU)

caracterizată de existenţa unui singur spaţiu de memorie utilizat pentru memorarea atât

a codului instrucţiunilor cât și a datelor ce fac obiectul prelucrării. Există deci o singură

magistrală internă (bus) care este folosită pentru preluarea a instrucţiunilor (fetch

opcod) şi a datelor; efectuarea celor două operaţii separate, în mod secvenţial, are ca

efect, cel puţin principial, încetinirea operaţiilor.

10

Figura 1.2. Arhitectură de tip " von Neumann "

Este arhitectura standard (cea mai des întâlnită) și pentru microprocesoarele de

uz general.

Arhitecturi de tip " Harvard "

Arhitectura Harvard este o arhitectură a calculatoarelor caracterizată prin

stocarea separată a instrucțiunilor și datelor Numele acestei arhitecturi provine de la

sistemul de calcul Harvard Mark I, ce stoca instrucțiunile pe 24 biți pe o bandă perforată,

iar datele în contoare electromecanice ce permiteau 23 de cifre.

Din cauza lungimii cuvintelor, a tehnologiei de implementare și a structurii

memoriei de adresare diferite, în cadrul acestei arhitecturi nu este necesar ca cele două

tipuri de memorie (program și date) să dispună de aceleași caracteristici. De regulă

memoria pentru instrucțiuni are o capacitate mai mare decât cea de date. De exemplu,

microcontrolerele PIC au un cuvânt de date de 8 biți și o lungime a instrucțiunii de 12,

14, 16 sau 32 biți.

În funcție de necesarul de memorie instrucțiunile pot fi stocate de exemplu într-o

memorie de tip ROM („read-only”), în timp ce datele se află într-o memorie de tip „citire-

scriere”.

11

Figura 1.3. Arhitectură de tip " Harvard "

În arhitectura von Neumann pură CPU-ul poate fie citi o instrucțiune, fie citi/scrie

date din/în memorie. Nu pot fi efectuate ambele operațiuni simultan, deoarece se

folosește aceeași magistrală. Prin contrast, într-un calculator bazat pe arhitectura

Harvard CPU-ul poate citi o instrucțiune și în același timp poate accesa și date, chiar și

fără cache. De aceea o arhitectură Harvard poate fi mai rapidă: fetch-urile instrucțiunilor

și accesul la date nu concurează pentru aceeași cale de transfer de date. Arhitectura

Harvard are spații de adresare separate pentru date și instrucțiuni: adresa 0 pentru date

nu este aceeași cu adresa 0 pentru instrucțiuni.

În perioada modernă arhitectura Harvard este folosită în principal în două tipuri

de dispozitive:

Procesoarele de semnale specializate din cadrul dispozitivelor pentru prelucrarea

semnalelor audio și/sau video.

Microcontrolerele din cadrul aplicațiilor electronice (PIC de la Microchip, AVR de

la Atmel); acestea dispun de dimensiuni mici ale memoriilor de program și de

date și se folosesc de avantajul arhitecturii RISC – executarea instrucțiunilor într-

un ciclu mașină (nu neapărat un ciclu de ceas).

Arhitectura de tip CISC

Aproape toate microcontrolerele au la baza realizării CPU conceptul CISC

(Complex Instruction Set Computer). Aceasta înseamnă un set uzual de peste 80

instrucțiuni, multe din ele foarte puternice și specializate.

12

Microprocesoarele care utilizează arhitectura CISC au multe instrucțiuni

încorporate în ele. Acest lucru salvează timp de procesare. Timpul este salvat deoarece

instrucțiunile necesare sunt disponibile direct din microprocesor și nu este nevoie ca

acesta sa le preia din programul stocat pe memoria externa, cum ar fi RAM-ul.

Arhitectura CISC ajuta microprocesorul să grăbească execuția programelor ce

au nevoie de instrucțiuni. Din cauza instrucțiunilor incorporate in microprocesor,

performantele acestuia sunt scăzute. Pentru a trece peste aceasta problema trebuie

incorporate mai multe tranzistoare in microprocesor. Acest tip de procesor este folositor

pentru nevoi generale de calcul. Este folosit in general in PC-uri.

Arhitectura de tip RISC

RISC (Reduced Instruction Set Computer) este un concept de realizare a CPU

care a început să fie utilizat cu succes de ceva timp și la realizarea microcontrolerelor.

Microprocesoarele CISC au instrucțiunile incorporate, iar acestea ocupa spațiu

in microprocesor, lăsând mai puțin spațiu pentru procesul de programare. Unele

microprocesoare fac anumite funcții, cum ar fi cele folosite pentru calculele științifice.

Instrucțiunile în plus încorporate în microprocesor ocupa spațiu important și de

asemenea timpul necesar pentru execuția instrucțiunilor suplimentare este irosit.

Prin implementarea unui set redus de instrucțiuni care se pot executa foarte

rapid și eficient, se obține o reducere a complexității microcircuitului, suprafața

disponibilizată putând fi utilizată în alte scopuri.

Microprocesoarele ce utilizează arhitectura RISC au instrucțiuni limitate

incorporate. De aceea este nevoie de mai puține tranzistoare pentru crearea

microprocesorului. Reducerea instrucțiunilor salvează și spațiu in microprocesor.

Microprocesorul RISC este mai ieftin de fabricat decât cel CISC. Acest tip de procesor

este preferat pentru scopuri științifice unde numărul limitat de instrucțiuni este necesar.

1.6.3 Memoria

În afară de memoria locală de tip RAM, de dimensiuni relativ reduse (de la x10

octeţi la x1k), implementată ca atare sau existentă sub forma unui set de registre și

destinată memorării datelor (variabilelor), mai există o serie de aspecte specifice, marea

majoritate a acestora fiind legată de implementarea fizică a memoriei de program (şi

eventual a unei părţi a memoriei de date) cu ajutorul unor memorii nevolatile. Clasic,

memoria de program era implementată într-o variantă de tip ROM : EPROM pentru

dezvoltare și producţie pe scară mică/medie sau mask-ROM pentru producţia de masă.

13

Principalele concepte noi, apărute de a lungul timpului în legătură cu

implementarea memoriei de program sau date sunt urmatoarele:

OTP - majoritatea producătorilor oferă variante de microcontrolere la care memoria

locală de program este de tip OTP (One Time Programmable), practic o memorie

PROM identică intern cu varianta EPROM, dar fără fereastra de cuarţ pentru

ştergere (deci şi mai ieftine)

FLASH EPROM - este o soluţie mai bună decât EPROM-ul propriu-zis atunci când

este necesar un volum mare de memorie program (nevolatilă); mai rapidă și cu un

număr garantat suficient de mare (x10000) de cicluri de programare (de

ştergere/scriere), este caracterizată şi prin modalităţi mai flexibile de programare;

este utilizată numai ca memorie de program.

EEPROM - multe microcontrolere au şi o memorie de acest tip, de dimensiune

limitată (de la x10 octeţi la x K octeţi), destinată memorării unui număr limitat de

parametrii (memorie de date) care eventual trebuie modificaţi din timp în timp; este o

memorie relativ lentă (la scriere), dar cu un număr de cicluri de ştergere/scriere mai

mare ca FLASH-ul

NOVRAM (RAM nevolatil) - realizat prin alimentarea locală (baterie, acumulator) a

unui masiv RAM CMOS atunci când este necesar un volum mare de memorie de

program şi date nevolatilă; mult mai rapidă decât toate celelalte tipuri și fără limitări

ca număr de cicluri.

Memoria externă de program sau date. Marea majoritate a familiilor de

microcontrolere permit și utilizarea de memorie externă de program (tipic ROM) sau

date (tipic RAM). Aceasta presupune existenta și utilizarea unor magistrale externe

de adrese și date. Conexiunile externe necesare pentru acestea sunt disponibile ca

funcţii alternative ale pinilor. Din păcate, in această situaţie numărul de conexiuni

exterioare disponibile pentru interfaţa cu exteriorul se reduce dramatic, reducând

mult din versatilitatea microcontrolerului. Mai mult la variantele constructive cu un

număr mic de pini (conexiuni externe) nu este posibilă utilizarea de memorie externă,

decât, eventual, intr-o variantă cu interfaţă serială (memorie RAM, FLASH sau

EEPROM cu interfaţă I2C, SPI, etc.) și numai ca memorie de date.

1.6.4 Limbaje de programare

Limbajul mașină

Limbajul mașină (instrucțiunile mașină) este singura formă de reprezentare a informației pe care un microcontroler o "înțelege". Din păcate această formă de

14

reprezentare a informației este total nepractică pentru un programator, care va utiliza cel puțin un limbaj de asamblare, în care o instrucțiune (o mnemonică cu operanzii aferenți) are drept corespondent o instrucțiune în limbaj mașină (excepție fac macroinstrucțiunile disponibile la unele asambloare). Un program în limbaj de asamblare este rapid și compact. Aceasta nu înseamnă că un astfel de program, prost scris, nu poate fi lent și de mari dimensiuni, programatorul având controlul total pentru execuția programului și gestiunea resurselor. Limbajul de asamblare este primul care trebuie învățat, chiar sumar, atunci când dorim să proiectăm o aplicație hard/soft cu un anume microcontroler, el permițând înțelegerea arhitecturii acestuia și utilizarea ei eficientă.

Interpreter

Un interpreter este o implementare a unui limbaj de nivel înalt, mai apropiat de limbajul natural. Este de fapt un program rezident care, în acest caz, rulează pe o platformă de calcul de tip microcontroler. Caracteristic pentru execuția unui program interpretat, este citirea și executarea secvențială a instrucțiunilor (instrucțiune cu instrucțiune). De fapt fiecare instrucțiune de nivel înalt este interpretată într-o secvență de instrucțiuni mașină care se execută imediat.

Compilatoare

Un compilator combină ușurința în programare oferită de un interpreter (de fapt de limbajul de nivel înalt) cu o viteză mai mare de execuție a codului. Pentru aceasta programul, în limbaj de nivel înalt, este translatat (tradus) direct în limbaj mașină sau în limbaj de asamblare (urmând a fi apoi asamblat). Codul mașină rezultat are dimensiuni relativ mari (dar mai mici decât cel interpretat) și este executat direct, ca un tot, de microcontroler. De regulă codul generat poate fi optimizat fie ca dimensiune, fie ca timp de execuție. Se pot enumera compilatoare pentru limbajele: C, BASIC, Pascal, PL/M (Intel), Forth.

1.6.5. Criterii de alegere a unui microcontroler

În momentul în care se doreşte alegerea unui microcontroler (sau mai bine zis a unei familii de microcontrolere) pentru dezvoltarea unui proiect există mai multe criterii ce trebuie luate în considerare, ţinând cont de implicaţiile multiple ale acestei alegeri.

Câteva din aceste criterii vor fi enumerate in continuare:

Costurile aplicaţiei (scara de producţie, costurile microcontrolerului, costurile mediului de programare şi dezvoltare

Timpul de dezvoltare al aplicaţiei

Caracteristicile fizice (viteza de prelucrare (de calcul) necesară, memoria, memoria externă, tipul de alimentare disponibilă, numărul de intrări şi/sau ieşiri necesare, tipul de intrări şi/sau ieşiri necesare: intrări/ieşiri analogice ș.a.)

15

Conectivitatea (resursele de comunicaţie necesare, tipuri de magistrale seriale, conectivitate Ethernet (o stivă TCP/IP), USB sau wireless)

Compatibilitate, scalabilitate și dezvoltarea ulterioară (ce tipuri de circuite se pot interfaţa cât mai simplu: sisteme de afişare, senzori, elemente de comandă și execuţie (relee, motoare de cc, motoare pas cu pas, etc.), resurse periferice sau de memorie)

Alte aspecte (distribuitori, suport oferit de producător, garanție și calitate a produselor)

Capitolul 2: Medii de programare folosite

2.1. Android SDK

Android SDK furnizează librăriile API necesare si unelte pentru dezvoltatori,

unelte necesare in crearea, testarea si depanarea aplicațiilor pentru Android.

Unelte necesare dezvoltării de aplicații Android:

Eclipse + ADT plugin

Android SDK Tools

Android Platform-tools

Cea mai nouă platformă Android

Cea mai noua imagine de sistem Android pentru emulator

2.1.1. Eclipse SDK 4.2

Eclipse SDK 4.2 este noua platformă pentru construirea aplicaţiilor “rich client”.

O platformă “rich client” reprezintă o unealtă pentru programatori, care uşurează

integrarea componentelor software independente, unde cea mai mare parte a zonei de

procesare a datelor se desfăşoară la client. Astfel că, această nouă platformă vine în

ajutorul programatorilor, pentru a dezvolta şi asambla aplicaţiile bazate pe Eclipse.

Versiunea 4.2 este pregătită pentru producţie, atât pentru dezvoltatori, cât şi pentru

utilizatorii finali.

16

2.1.1. Ce este nou in v4.2

Noua platformă Eclipse 4.2 aduce modificări, atât din punct de vedere client, cât

şi pentru dezvoltatori:

un model de interfaţă orientată pe utilizator şi un nou CSS axat pe mecanismul de

declarare a formatului aplicaţiilor. Aceste facilităţi uşurează munca pe partea de

proiectare şi personalizare a unei interfeţe pentru utilizatori;

de asemenea, o flexibilitate mai mare la aspectul interfeţei , expunând diferenţe

vizibile între interfaţa de utilizator şi cea pentru dezvoltatori;

un nou model de programare orientat pe servicii, care uşurează folosirea într-un mod

discret a serviciilor aplicaţiilor pe platforma Eclipse;

apariţie modernă pentru zona de lucru;

compatibilitate integrală binar cu API, pentru care s-a realizat cu uşurintă procesul de

migrare

2.1.2. Ce este Eclipse şi Organizaţia Eclipse?

Eclipse este o comunitate, atât pentru persoane fizice, cât şi pentru organizaţii,

care îşi doresc să colaboreze cu un software open source, comercial şi prietenos.

Proiectele sale sunt focusate pe construirea unei platforme deschise de dezvoltare

alcătuită de framework-uri extensibile, tool-uri şi timpi de rulare pentru construirea,

lansarea şi coordonarea software-ului de-a lungul ciclului său de viaţă. Fundaţia Eclipse

este non-profit, fundaţie susţinută de membrii care hostează proiectele Eclipse şi ajută

la cultivarea unei comunităţi open source, dar şi la un ecosistem de produse şi servicii

complementare.

Proiectul Eclipse a fost original creat de IBM, în noiembrie 2001 şi suportat de

un grup de dezvoltatori software. Fundaţia Eclipse a fost creată în ianuarie 2004, ca o

corporaţie independentă, fără profit, pentru a acţiona ca un administrator pentru

comunitatea Eclipse. Corporaţia a fost creată pentru a permite unui dezvoltator neutru şi

deschis, accesul la o comunitate transparentă. Astăzi, comunitatea cuprinde persoane

fizice şi organizaţii, dintr-o anumită secţiune a industriei software.

Fundaţia Eclipse este finanţată anual, prin intermediul membrilor săi şi condusă

de Consiliul de Administraţie. Dezvoltatorii şi Consumatorii strategici au şi ei un loc în

acest Consiliu. Organizaţia angajează profesionişti full-time pentru a furniza servicii

comunităţii, dar nu angajează dezvoltatori open-source, care lucrează la proiectele

Eclipse. Aceştia din urmă sunt angajaţi tipici ai unor organizaţii sau dezvoltatori

independenţi, care oferă din timpul lor pentru a lucra pe un proiect open source.

17

În general, Fundaţia Eclipse furnizează patru servicii comunităţii Eclipse:

1) Infrastructura IT

2) Management IP

3) Procesul de dezvoltare

4) Dezvoltare ecosistem

Staff-ul full-time este asociat fiecărei arii enumerate anterior şi lucrează cu cea

mai grozavă comunitate Eclipse, pentru a asista în şedinţe la nevoile părţilor interesate.

1. Infrastructura IT

Organizaţia Eclipse administrează infrastructura IT pentru comunitatea Eclipse

open source, incluzând zona de cod GIT, bazele de date Bugyilla, listele de mail-uri şi

forumuri cu referire la orientarea dezvoltării, download-ul şi site-ul web. Infrastructura

este implementată să furnizeze un serviciu sigur şi scalabil pentru dezvoltatorii

tehnologiei Eclipse şi pentru consumatorii, care folosesc această tehnologie.

2. Management-ul zonei de intelect (IP)

Un aspect important pentru Eclipse este focalizarea pe activarea folosirii

tehnologiei open source, în produsele şi serviciile software comerciale. Se promovează

şi încurajează în mod conştient dezvoltatorii software în utilizarea tehnologiei Eclipse,

pentru construirea de produse şi servicii software comerciale. Acst lucru este posibil de

faptul că toate proiectele Eclipse sunt licenţiate sub numele de Licenţă Publică Eclipse

(EPL).

Fundaţia Eclipse întreprinde de asemenea un număr de paşi pentru a încerca

asigurarea originalităţii proiectelor Eclipse. Primul pas în acest proces constă în

protejarea tuturor contribuţiilor, că sunt realizate de titularul potrivit, sub licenţa publică

Eclipse. Tuturor dezvoltatorilor li se cere să semneze un acord, care stipulează că toată

contribuţia lor este originală şi că este contribuită sub EPL. Dacă un dezvoltator este

sponsorizat să lucreze la un proiect Eclipse, de un membru al organizaţiei, atunci

organizaţia trebuie să semneze un acord de membru dezvoltator.

Al doilea pas face referire la asocierea codului sursă dezvoltat în afara

procesului Eclipse, care este procesat prin procesul de aprobare IP al fundaţiei Eclipse.

Acest proces constă în analiza codului selectat, pentru a încerca constatarea

provenienţei codului şi compatibilitatea licenţei cu EPL. Proiectele care nu se

încadrează în aceste standarde nu sunt adăugate la proiectul Eclipse. Rezultatul final

ţine de un nivel de încredere, în funcţie de care proiectele Eclipse open source sunt

distribuite în produsele comerciale.

18

3. Dezvoltarea comunităţii de suport

Comunitatea Eclipse are o buna reputaţie dobândită în urma furnizării software-

ului de calitate, într-un mod sigur şi predictibil. Acest lucru se datorează angajamentelor

celor implicaţi şi a organizaţiilor care contribuie la proiectele open source. De asemenea,

fundaţia Eclipse furnizează, atât servicii cât şi suport proiectelor, pentru a-i ajuta să-şi

atingă aceste obiective.

Angajaţii fundaţiei contribuie la implementarea procesului de dezvoltare Eclipse.

Acest proces asistă la începerea fiecărui proiect şi asigură pentru toate proiectele o

desfăşurare într-o manieră transparentă. Ca parte a acestui proces, Fundaţia

organizează examinări ale proiectelor, pentru membrii comunităţii pentru asigurarea unei

interacţiuni consistente între proiecte şi parteneriate.

Comunitatea Eclipse organizează anual un rând de versiuni, ce oferă versiuni

coordonate ale proiectelor Eclipse, care doresc să participe. Acest lucru ajută utilizatorii

să adopte noi versiuni ale proiectelor deoarece:

1) Toate proiectele sunt disponibile pe aceeaşi planificare, astfel încât nu va trebui

să se aştepte după planificarea independentă a proiectelor;

2) Un nivel de integrare a testării apare înainte ca versiunea finală să ajute la

identificarea problemelor de-a lungul proiectului.

4. Dezvoltarea ecosistemului

Un aspect unic al comunităţii Eclipse şi rolul fundaţiei este marketing-ul activ şi

promovarea proiectelor Eclipse, dar şi lărgirea ecosistemului. Un ecosistem vibrant şi

sănătos care se extinde dincolo de comunitatea Eclipse, pentru a include lucruri precum

produs comerciale bazate pe Eclipse, alte proiecte open source ce utilizează Eclipse,

training şi furnizori de servicii, magazineşi portal online, cărţi etc, toate acestea fiind

cheia succesului pentru comunitatea Eclipse.

Pentru a lua parte la dezvoltarea ecosistemului Eclipse, fundaţia organizează un

număr de activităţi, incluzând evenimente de marketing cu membrii ale companiilor,

conferinţe ale comunităţii, cataloage online de resurse (Eclipse marketplace şi canalul

de Youtube Eclipse), de două ori pe an întâlniri ale membrilor şi alte programe pentru

promovarea întregii comunităţi Eclipse.

2.1.3. Un model unic pentru dezvoltarea open source

Fundaţia Eclipse a fost recunoscută pentru oferirea de proiecte open source şi

pentru comunitatea Eclipse. Pentru o corporaţie non-profit, fundaţia şi modelul de

19

conducere Eclipse se asigură că nicio entitate nu conduce strategia, politicile sau

operaţiile comunităţii Eclipse.

Fundaţia este focusată pe crearea unui mediu pentru proiectele open source de

succes şi să promoveze adoptarea tehnologiei Eclipse în soluţiile comerciale şi open

source. Prin intermediul serviciilor precum IP Due Diligence, versiuni anuale, suportul

comunităţii de dezvoltare şi dezvoltarea ecosistemului, modelul Eclipse cu privire la

dezvoltarea open source este unică şi dovedită pentru acest tip de dezvoltare.

2.1.4. Istoria Eclipse

Liderii industriei de la Borland, IBM, MERANT, QNX Software Systems, Rational

Software, Red Hat, SuSE, TogetherSoft şi Webgain au format iniţial comitetul Stewards

eclipse.org, în noiembrie 2001. Până la sfârşitul anului 2003, acest consorţiu a crescut

la peste 80 de membrii.

La 2 februarie 2004, comitetul Stewards a anunţat reorganizarea Eclipse într-o

corporaţie non-profit. În primă fază s-a format un consorţiu, când IBM a transformat

platforma Eclipse în open source, Eclipse a devenit un produs independent, care va

conduce evoluţia platformei pentru a avantaja furnizorii de dezvoltare software şi a

utilizatorilor finali. Toată tehnologia şi codul sursă furnizat şi dezvoltat de această rapidă

comunitate sunt disponibile prin EPL.

Fondatorii dezvoltatori ai strategiei şi consumatorii strategici au fost Ericsson,

HP, IBM, Intel, MontaVista Software, QNX, SAP şi Serena Software.

2.1.5. Android Developer Tools (ADT) plugin

Android Development Tools (ADT) este un plugin creat pentru Eclipse IDE, si

oferă mediu integrat si puternic pentru a crea aplicații pentru Android.

ADT extinde capabilitățile mediului Eclipse pentru a-ti permite sa creezi aplicații

Android, să creezi propria interfață, să poți adăuga pachete bazate pe API Android

Framework. Poți de asemenea depana aplicațiile create folosind uneltele Android SDK,

poți exporta aplicații semnate sau nu.

Dezvoltarea aplicațiilor in Eclipse cu ADT este metoda recomandă deoarece

aceasta este cea mai ușoară metodă de a porni. Dispuneți de ghidul de început, unelte

integrate, editor XML, si depanare, astfel cu ADT aveți parte de un control incredibil și

un avânt considerabil in dezvoltarea de aplicații Android.

20

2.2. Arduino

Arduino este un mediu de dezvoltare open source ce oferă mijloace foarte rapide de a scrie codul sursă și încărca cu ușurința pe placă. Acesta este compatibil cu Windows, Mac OS X, și Linux. Mediul de dezvoltare este scris in Java si are la bază Processing, avr-gcc, și alte programe open source.

2.2.1. Mediul de dezvoltare Arduino

Mediul de dezvoltare Arduino, include editor de text pentru a scrie cod, o zonă de mesaje, o consola de text, bara cu butoane si funcții comune, si o serie de meniuri.

Se conectează la placa fizică Arduino pentru a încărca programele și pentru a comunica cu acestea.

Programele scrise pentru Arduino se numesc schițe(sketches). Acestea sunt scrise in editorul de text. Schițele sunt salvate cu extensia .ino. Oferă facilități pentru copiere/lipire și pentru căutare/înlocuire text. Zona de mesaje oferă informații in timp real legate de erori, salvări si exporturi.

Arduino IDE conține librării. Acestea furnizează funcționalitate extinsă pentru a fi folosită in schițe. Pentru a folosi librarii in schițe, le puteți selecta din meniul Sketch->Import Library. Această operațiune va insera încă o declarație #include in partea de sus a programului, iar librăria va fi compilată odată cu schița.

O unealtă folositoare oferita de acest IDE este Serial Monitor. Acesta afișează datele trimise de la placa Arduino. Iar pentru a trimite date către placa este suficient sa scrii comanda si sa apeși butonul "send". Rata de transmitere a datelor poate fi selectată dintr-o listă derulantă, aceasta trebuie sa coincidă cu rata transmisă de funcția Serial.begin in program.

Limbajul de programare folosit este C++, la care sunt adăugate foarte multe funcții, implementate pentru a ușura interfațarea cu microcontrolerele Atmel.

21

Capitolul 3: Bluetooth

3.1. Ce reprezintă Bluetooth ?

Bluetooth este un standard care elimină firele şi cablurile între dispozitive atât staţionare cât şi mobile, facilitând atât comunicaţiile de date cât şi pe cele vocale. Oferă posibilitatea implementării unor reţele ad-hoc și a sincronizării între diverse dispozitive.

Tehnologia wireless Bluetooth implică atât cerinţe hard cât și soft și de interoperabilitate. Aceasta a fost adoptată de majoritatea actorilor de pe scena telecomunicaţiilor, computerelor și mecatronicii, dar și din diverse domenii precum cel bancar, cel al industriei auto-moto și de îngrijire a sănătăţii sau cel al automatizării şi jucăriilor, etc. – pe plan extern, aproape de toate sectoarele economice.

3.1.1. Istorie

Harald Bluetooth a fost regele viking al Danemarcei între anii 940 şi 981. Unul dintre scopurile sale era să determine oamenii să comunice între ei şi în timpul domniei sale Danemarca și Norvegia au fost unite.

Astăzi tehnologia wireless Bluetooth îngăduie oamenilor să comunice între ei, dar de această dată prin intermediul unei legături radio de cost redus şi pe domenii restrânse. În oraşul danez Jelling Harald Bluetooth a ridicat o piatră pictată, pe care alături de imaginea lui Cristos, dăinuie şi astăzi următoarea inscripţie: „Regele Harald a ridicat acest monument în memoria tatălui său Gorm și a mamei sale Thyre. Acest Harald a cucerit în întregime Danemarca și Norvegia și i-a creştinat pe danezi”.

SIG

În februarie 1998 a luat fiinţă Grupul de Interes Special (SIG). Astăzi Bluetooth SIG include companiile promotoare 3Com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent, Microsoft, Motorola, Nokia şi Toshiba, şi mii de companii – membri asociaţi sau adoptori. Iniţial misiunea SIG a fost de a monitoriza dezvoltarea tehnologiei radio pentru domenii restrânse și de a crea un standard global deschis, prevenind astfel devenirea acestei tehnologii proprietatea unei singure companii. Acest lucru a avut ca rezultat apariţia primelor Specificaţii Bluetooth în Iulie 1999. Dezvoltarea ulterioară a specificaţiilor este încă scopul principal al SIG, alături de asigurarea cerinţelor de interoperabilitate, armonizarea benzii de frecvenţă şi promoţia tehnologiei.

22

3.1.2. Implementare

Tehnologia Bluetooth operează in gama de frecvența 2400–2483.5 MHz pentru comunicațiile globale nelicențiate, iar pe frecvența 2.4 GHz (unde radio de frecvența scurtă) pentru domeniul Științific și Medical (ISM). Bluetooth folosește tehnologia numita „frequency-hopping spread spectrum”. Datele transmise sunt împărțite in pachete, iar fiecare din acestea este transmis pe unul din cele 79 de canale Bluetooth desemnate. Fiecare canal are o lungime de banda de 1MHz. Primul canal începe la 2402MHz și se continuă pana la 2480MHz cu pasul de 1MHz.

Inițial singura schema de modulare era Gaussian frequency-shift keying (GFSK), însa după introducerea standardului Bluetooth 2.0+EDR, se mai puteau folosi și π/4-DQPSK sau 8DPSK intre dispozitivele compatibile. Dispozitivele ce folosesc tehnica de modulare GFSK operează in modul de bază, iar viteza de transfer este pană la 1Mbit/s. Termenul Enhanced Data Rate (EDR) este folosit pentru a descrie π/4-DQPSK și 8DPSK, acestea oferind viteze de transfer pana la 2 respectiv 3Mbit/s.

Bluetooth este un protocol bazat pe pachete cu o structura de tipul master-slave. Un dispozitiv master poate comunica cu pana la 7 dispozitive slave; toate dispozitivele sunt sincronizate cu frecvența de ceas a celui master.

Tehnologia Bluetooth oferă o cale securizată de schimb de fișiere intre dispozitive precum telefoane mobile, laptop-uri, calculatoare personale, imprimante, ș.a. Acesta a fost construit, in principal, ca și tehnologie cu o lățime de banda mica.

3.2. Versiuni de Bluetooth

Bluetooth 1.0 și 1.0B - Versiunile 1.0 și 1.0B au avut multe probleme tehnice, și producătorii au întâmpinat probleme in special în încercarea acestora de a face dispozitivele interoperabile.

Bluetooth 1.1 - Multe din erorile găsite la versiunea 1.0B au fost reparate, s-a oferit suport pentru canale necriptate și a fost adăugat un indicator al puterii semnalului de transmisie

Bluetooth 1.2 - Aceasta versiune este compatibilă cu 1.1. Viteza practică a transmisiei de date a fost mărită la 721 kbps

Bluetooth 2.0 - Această versiune este compatibilă înapoi cu versiunile 1.x. Principala îmbunătățire este introducerea unei viteze de transmisie mai mari numite Enhanced Data Rate, care permite o viteză de 3,2 Mbit/s. Îmbunătățirea a creat următoarele efecte: viteza de transmisie de 3 ori mai mare; consum de energie mai mic; rata erorilor de transmisie (BER - bit error rate) mai scăzută.

Bluetooth v3.0 - Versiunea 3.0 a fost adoptată de către Bluetooth SIG în data de 21 Aprilie 2009. Bluetooth 3.0 îmbunătățește viteza de transfer teoretică până la 24 Mbit/s. Saltul vitezei a fost posibilă datorită introducerii unei legături 802.11. Vitezele

23

îmbunătățite nu pot fi prezente și în cadrul unei conexiuni cu un standard mai vechi datorită lipsei legăturii 802.11 în dispozitivele de generație mai veche.

Bluetooth v4.0 - Versiunea 4.0 a fost adoptată de către Bluetooth SIG în data de 30 Iunie 2010. Aceasta include protocoalele Bluetooth clasic, de mare viteza și cu un consum scăzut de energie. Protocoalele de mare viteză sunt bazate pe Wi-Fi, iar protocoalele clasice sunt moștenite de la versiunile anterioare. Bluetooth low energy (BLE), cunoscut ca WiBee este un subset al Bluetooth v4.0 cu o noua stiva de protocoale pentru construire rapida a legăturilor simple.

3.3. Utilizarea Bluetooth

O caracteristică a tehnologiei Bluetooth este aceea de a permite dispozitivelor fabricate de diverşi producători să poată comunica intre ele. Astfel, Bluetooth defineşte atât un sistem Radio, cât și o stivă de protocoale pentru ca aplicaţiile să poată sesiza prezenţa altor dispozitive Bluetooth, și să descopere ce servicii pot acestea oferi şi să le utilizeze.

3.3.1. Stiva de protocoale

Stiva de protocoale este definită ca o serie de straturi, deşi unele caracteristici nu pot fi

delimitate ca aparţinând unui anumit strat.

24

Figura 3.1. Stiva de protocoale Bluetooth

Profilurile Bluetooth ghidează aplicaţiile în utilizarea stivei de protocoale Bluetooth. TCS (Telephony Control Protocol Specification) oferă servicii telefonice.

SDP (Service Discovery Protocol) lasă dispozitivele Bluetooth să descopere ce servicii suportă celelalte dispozitive.

RFCOMM oferă o interfaţă serială asemănătoare cu RS232.

L2CAP multiplexează date de la straturile superioare şi converteşte dimensiunile pachetelor informaţionale, după necesităţi.

HCI manipulează comunicaţiile între modulul Bluetooth și aplicaţia gazdă.

LM controlează și configurează legăturile cu alte dispozitive.

BB/LC controlează legăturile fizice prin radio, asamblează pachetele și controlează salturile în frecvenţă.

Stratul Radio modulează și demodulează datele pentru transmisia și recepţia aeriană.

25

3.3.2. Legăturile vocale şi de date

Bluetooth permite atât comunicaţii de date critice în timp, precum cele vocale și

audio, cât și comunicaţii de înaltă viteză, de pachete de date, insensibile la factorul timp.

Pentru a transporta astfel de date, între orice două dispozitive se pot stabili două tipuri

de legături și anume, legături SCO (Synchronous Connection Oriented) pentru

comunicaţii vocale și legături ACL (Asynchronous Connectionless) pentru comunicaţii de

date.

Pachetele de date pentru legături ACL sunt construite dintr-un cod de acces de

72 biţi, un pachet antet (header) de 54 biţi și un cod CRC, în adiţia încărcăturii

informaţionale utile (payload data). Există o varietate de tipuri de date permiţând

transmiterea unor cantităţi diferite de informaţie. Pachetul cu cea mai mare încărcătură

informaţională este DH5, care se întinde în 5 slot-uri temporale. Un pachet DH5 poate

transporta 339 bytes sau 2712 biţi de date. Aşadar, sunt transmişi 2858 biţi pentru 2712

biţi de informaţie.

Un pachet DH5 utilizează până la 5 slot-uri și lungimea minimă replicată este 1

slot. Astfel, rata maximă în banda de bază într-un sens este 723.2kb/s. În acest caz, cu

pachete de 5 slot-uri transmise într-un sens, pachetele de un slot trimise în sens invers

vor transporta numai 57.6kb/s, astfel că aceasta va fi o legătură asimetrică cu mai multă

informaţie transmisă în sensul trimiterii pachetelor de 5 slot-uri. Dacă ar fi transmise

pachete de 5 slot-uri în ambele sensuri, atunci rata obţinută a datelor ar fi 433.9kb/s,

ceea ce ar fi o reducere prea mare de la rata de transmisie prin aer de 1Mb/s.

Atât aceste supraîncărcări la codarea datelor, cât şi salturile în frecvenţă sunt

necesare în principal pentru a oferi robusteţe legăturii Bluetooth, de vreme ce banda

ISM este o resursă comună pentru multe dispozitive și alte standarde de comunicaţii şi

chiar surse de zgomot. În plus, pentru reducerea problemelor de interferenţe viitoare în

spectru, se au în vedere reglementări de limitare a puterii emise pe unitatea de timp în

banda ISM, determinând necesitatea unei scheme de salturi în frecvenţă pentru

împrăştierea transmisiilor în spectru și în timp.

Straturile superioare ale stivei de protocoale mai necesită și ele o parte a lăţimii

de bandă, astfel că la nivelul aplicaţiilor, rata maximă a datelor poate ajunge la 650kb/s.

Legăturile SCO lucrează la 64kb/s şi este posibilă coexistenţa a trei legături vocale

duplex simultane sau combinarea transmisiei vocale cu una de date. Aceste canale

vocale redau o comunicaţie de o calitate ce se aşteaptă și de la sistemele moderne de

telefonie mobilă, precum GSM-ul. În fapt, legăturile SCO nu prea sunt potrivite pentru

transferuri audio de calitatea semnalului muzical.

26

O alternativă pentru suportul transmisiilor muzicale este utilizarea unui canal

ACL. Calitatea semnalului audio CD brut necesită 1411.2kb/s, dar cu o compresie

adecvată, precum MP3, care poate reduce rata de bit la aproximativ 128kb/s, se poate

transmite și semnal audio de calitate apropiată de cea CD, menţinându-se succesiunea

temporală a informaţiei.

3.4. Comunicaţia Bluetooth

Bluetooth diferă de orice reţea cablată, deoarece nu există nici un cablu între dispozitivele care comunică între ele și s-ar putea ca ele să nu cunoască cu ce alte dispozitive comunică și care sunt capabilităţile acelora. Pentru a rezolva această dilemă, Bluetooth utilizează mecanismele Inquiry și Paging și SDP (Service Discovery Protocol).

3.4.1. Descoperirea dispozitivelor Bluetooth

Presupunem că avem de-a face cu două dispozitive echipate Bluetooth. Primul pas în stabilirea unei conexiuni, pentru primul dispozitiv, este de a afla ce dispozitive Bluetooth se află în zonă, aşa că acesta iniţiază o procedură Inquiry pentru a sonda vecinătatea cu alte dispozitive.

Pentru aceasta, un dispozitiv transmite o serie de pachete de interogare (inquiry) și eventual celălalt va răspunde cu un pachet FHS (Frequency Hop Synchronisation). Pachetul FHS conţine toate informaţiile de care un dispozitiv are nevoie pentru crearea unei legături cu celălalt. Acesta conţine de asemenea și informaţii despre clasa dispozitivului, informaţii structurate pe două nivele: părţi majore (a fost descoperit un telefon) şi părţi minore (telefonul descoperit este un telefon celular).

3.4.2. Conectarea la o bază de date Service Discovery

Pentru a afla dacă un dispozitiv suportă un serviciu anume, aplicaţia necesită conectarea dispozitivului şi utilizarea SDP. Mai întâi, un dispozitiv (laptop) trimite un mesaj de paging altuia (telefon mobil), utilizând informaţia adunată prin inquiry. Dacă telefonul scanează mesajele de paging, atunci răspunde şi între cele două dispozitive se poate seta o conexiune ACL la nivelul benzii de bază pentru transferul de date.

Odată stabilită o conexiune ACL, poate fi realizată conexiunea la nivelului protocolului L2CAP. O conexiune L2CAP este utilizată de fiecare dată când are loc un transfer de date între dispozitive Bluetooth. L2CAP permite mai multor protocoale şi servicii să utilizeze o singură legătură ACL în banda de bază, iar pentru a face deosebirea între acestea, adaugă fiecărui pachet L2CAP o componentă PSM (Protocol and Service Multiplexor sau Protocol Stack Multiplexor). PSM diferă pentru fiecare protocol și serviciu care utilizează legătura. În cazul considerat, de vreme ce conexiunea va fi utilizată pentru descoperirea de servicii, se foloseşte o valoare specială pentru acest tip de legătură, şi anume PSM=0x001.

27

3.4.3. Conectarea la un serviciu Bluetooth

Procesul de Paging care duce la stabilirea unei conexiuni ACL în banda de bază (BB) este identic celui pentru conectarea în vederea descoperirii serviciilor.

De această dată, legătura se setează (stabileşte) pentru un protocol care s-ar putea să aibă pretenţii la o anumită calitate a serviciului, astfel că aplicaţia ce rulează pe laptop poate dori configurarea legăturii în vederea satisfacerii acestor cerinţe. Pentru aceasta, aplicaţia trimite cerinţele sale către modulul Bluetooth, utilizând HCI (Host Controller Interface). La pasul următor, managerul legăturii (LM) configurează legătura utilizând LMP (Link Manager Protocol).

Odată stabilită conexiunea ACL după dorinţa laptop-ului, se stabileşte o legătură L2CAP (Logical Link Control and Adaptation).

3.4.4. Moduri de descoperire și conectare

Este foarte important de reţinut că pentru stabilirea unei conexiuni prin tehnologia wireless Bluetooth condiţia principală este ca ambele terminale să dorească realizarea acestei legături. Unele dispozitive pot fi setate să nu realizeze scanări pentru mesaje Inquiry; în acest caz, celelalte dispozitive nu le pot descoperi şi vor fi practic invizibile. În mod similar, unele dispozitive pot fi setate să nu realizeze scanări pentru mesaje Page; în acest caz, aceste dispozitive pot iniţia legături, dar nu vor auzi încercările altor dispozitive de a se conecta la ele.

Aplicaţiile pot alege dacă să facă dispozitivele conectabile sau descoperibile. O conexiune nu poate fi realizată forţat cu un dispozitiv care nu este setat pentru a o accepta.

3.5. Stiva de protocoale Bluetooth

3.5.1. Protocoale utilizate de Bluetooth

Asemeni modelului OSI, specificaţiile Bluetooth fac uz de soluţia ierarhizării pe nivele a arhitecturii de protocoale. și tot asemeni OSI, scopul final al specificaţiilor Bluetooth este de a permite interoperabilitatea aplicaţiilor realizate conform acestor specificaţii. Acest lucru se realizează atunci când aplicaţiile din dispozitivele conectate rulează utilizând protocoale identice. Stive diferite de protocoale sunt utilizate pentru aplicaţii diferite. Independent de aplicaţie, stiva de protocoale utilizate foloseşte un nivel Bluetooth fizic şi legătură de date comun.

28

Figura 3.2. Protocoale utilizate de Bluetooth

O aplicaţie nu utilizează toate protocoalele din stivă; în schimb, urmează una

dintre căile vertical, conform necesităţilor serviciului corespunzător aplicaţiei. Stiva completă de protocoale conţine atât protocoale ce sunt specifice tehnologiei wireless Bluetooth, precum LMP și L2CAP, şi acele protocoale, precum OBEX (Object Exchange Protocol), UDP (User Datagram Protocol) și WAP (Wireless Application Protocol), care pot fi folosite pentru comunicaţii cu alte platforme. În Stiva de protocoale Bluetooth proiectarea protocoalelor Bluetooth s-a preferat reutilizarea unor protocoale deja existente pentru scopuri diferite, la nivele mai înalte.

Deschiderea specificaţiilor Bluetooth permite multor aplicaţii deja dezvoltate de producători să profite de sistemele hard și soft compatibile cu aceste specificaţii. De asemenea, producătorii pot implementa protocoale pentru aplicaţiile lor proprii (proprietare) sau de uz comun, având la bază specificaţiile referitoare la protocoalele tehnologiei wireless Bluetooth.

Stiva de protocoale utilizate de Bluetooth este structurată pe patru nivele:

Protocoalele nivelului Bluetooth:

o Baseband o Link Management Protocol (LMP) o Logical Link Control and Adaptation Layer (L2CAP) o Service Discovery Protocol (SDP)

29

Protocol de înlocuire a cablurilor:

o Radio Frequency Communication (RFCOMM)

Protocoale de control telefonic:

o Telephony Control Specification Binary (TCS BIN) o AT – comenzi

Protocoale Adoptate:

o Point to Point Protocol (PPP) o UDP/TCP/IP o OBEX o WAP o vCard o vCalendar o Infrared Mobile Communication (IrMC) o Wireless Application Environment (WAE)

Specificaţiile Bluetooth definesc de asemenea o interfaţă HCI (Host Controller Interface), care oferă interfaţare cu controller-ul BB şi cu LM şi accesează starea hardware-ului şi a registrelor de control. În figura 3.1, HCI este poziţionată sub L2CAP, dar ea poate la fel de bine exista și deasupra acestuia.

Împreună, nivelul de Înlocuire a Cablurilor, nivelul de Control Telefonic şi nivelul Protocoale Adoptate formează protocoalele orientate aplicaţie, care permit aplicaţiilor să ruleze peste protocoalele nucleului Bluetooth. Ţinând cont că specificaţiile Bluetooth sun nişte specificaţii deschise, protocoale adiţionale precum HTTP(HyperText Transfer Protocol) ş FTP (File Transfer Protocol) pot fi adăugate într-o manieră interoperabilă deasupra protocoalelor de transport Bluetooth sau deasupra protocoalelor orientate aplicaţie.

3.5.2. Protocoale ale Nucleului Bluetooth

Aceste protocoale sunt specifice tehnologiei wireless Bluetooth, dezvoltate de Bluetooth SIG. RFCOMM și TCS BIN au fost dezvoltate tot de către Bluetooth SIG, dar acestea se bazează pe standarde deja existente: ETSI TS 07.10 şi Recomandarea ITU-T Q.931. Protocoalele nucleului Bluetooth plus nivelul radio sunt cerute de aproape toate dispozitivele Bluetooth, în timp ce restul protocoalelor sunt utilizate doar la nevoie.

Baseband (BB) - Nivelul benzii de bază (baseband - BB) permite legătura fizică RF între unităţi Bluetooth ale unei pico-reţele. De vreme ce sistemele RF Bluetooth utilizează tehnologia cu spectru extins şi salt în frecvenţă, în care pachetele sunt transmise în fante temporale pe anumite frecvenţe, acest nivel utilizează proceduri Inquiry și Page pentru sincronizarea transmisiei cu salturi în frecvenţă şi a clock-urilor diferitelor dispozitive Bluetooth.

30

Link Manager Protocol (LMP) - LMP este responsabil de stabilirea (setarea) şi controlul legăturii între dispozitivele Bluetooth, incluzând controlul și negocierea dimensiunilor pachetelor din banda de bază. Mai este de asemenea utilizat și în procedurile de securizare: autentificare și criptare. LMP controlează de asemenea modurile energetice și ciclurile de lucru ale dispozitivelor radio Bluetooth și stările conexiunilor unei unităţi Bluetooth într-o picoreţea. Mesajele LMP sunt filtrate și interpretate de LM la recepţie, astfel că ele nu sunt niciodată transmise nivelelor superioare. Mesajele LMP au prioritate în faţa datelor utilizatorului. Astfel că, dacă LM necesită transmiterea unui mesaj, acesta nu va fi întârziat din cauza traficului L2CAP.

Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) - L2CAP suportă pentru protocoalele superioare proceduri de multiplexare, de segmentare și reasamblare a pachetelor și de control a calităţii serviciilor (Quality of Service – QoS). L2CAP permite protocoalelor şi aplicaţiilor de nivel superior să transmită și să primească pachete de date de până la 64 kbytes lungime. Deşi protocolul pentru BB oferă atât legături SCO cât și ACL, L2CAP este definit doar pentru legături ACL şi nici nu este prevăzut vreun fel de suport pentru legături SCO. Canalele audio de calitate vocală, pentru aplicaţiile de telefonie şi audio, sunt manipulate prin legături SCO în banda de bază. Oricum, informaţiile audio pot fi împachetate și trimise şi utilizând protocoale de comunicaţie prin legături la nivelul L2CAP.

Service Discovery Protocol (SDP) - Descoperirea de servicii este un element important în cadrul de lucru Bluetooth, deoarece SD stă la baza tuturor modelelor de utilizare. Cu ajutorul SDP, informaţiile despre dispozitive, servicii şi caracteristici ale dispozitivelor pot fi tabelate în liste, cu ajutorul cărora utilizatorul, cunoscând astfel serviciile dispozitivelor din vecinătate, poate selecta între aceste servicii. După aceasta, se pot stabili conexiuni cu unul sau mai multe dispozitive Bluetooth.

31

Capitolul 4: Proiectarea și implementarea sistemului

4.1. Prezentarea și obiectivele sistemului

Lucrarea de fața descrie modul in care se poate realiza un robot mobil autonom, pas cu pas.

Ca și punct de plecare am dorit ca robotul sa respecte următoarele cerințe:

Să fie autonom

Să poată avea mai multe regimuri de funcționare

Să poată comunica cu alte dispozitive folosind o conexiune fără fir

Să aibă costuri de implementare scăzute

Să fie modular

Astfel am construit un robot ce se poate deplasa autonom, ocolind obstacolele ce poate comunica prin intermediul tehnologiei Bluetooth cu un dispozitiv pe care rulează Sistemul de Operare Android. Am creat mai multe regimuri de funcționare folosind diverși algoritmi printre care și algoritmul de reglare PID.

Componentele folosite au fost selecționate ca și un compromis intre calitatea/precizia oferita și prețul cerut. Am ales ca și platforma de dezvoltare placa Arduino UNO, deoarece pentru un preț scăzut oferă o putere de procesare suficienta pentru lucrarea de fata, o memorie integrata pe care am putut memora programul și un număr decent de porturi I/O atât digitale cat și analogice. Arduino este un mediu de dezvoltare Open Source, ce oferă atât suport hardware cât și software.

Pentru colectarea datelor din mediu am folosit doi senzori ultrasonici de distanța HC-SR04, și două servomotoare pentru a oferi mobilitate acestora. Senzorul HC-SR04 oferă precizia dorită la un preț scăzut.

Șasiul este unul standard, având doua roti acționate individual de motoare de curent continuu. Acest tip de șasiu oferă mobilitate ridicată robotului, ansamblul având un grad scăzut de complexitate.

32

4.2. Componente hardware

Lista componentelor hardware este următoarea:

Placa de dezvoltare - Arduino UNO R3

Senzori ultrasonici de distanță - HC-SR04

Servomotoare - TowerPro SG90

Modul Bluetooth HC-05

Driver de motoare cu circuitul integrat L298N

Motoare + sistem de reductoare 120:1 tip Pololu

Roți special realizate pentru motoarele tip Pololu

Roată de sprijin metalică (Pololu Ball Caster)

Placă de sprijin și șuruburi

Elemente pasive: rezistoare, condensatoare, diode, LED-uri

Breadbord, fire de conexiune

Surse de alimentare (baterii sau acumulatori)

4.2.1. Arduino UNO R3

Arduino UNO este o placă de dezvoltare ce are la baza microcontrolerul

ATmega328. Aceasta dispune de 14 pini digitali de tipul intrare/ieșire, dintre care 6 pot fi

folosiți ca ieșiri PWM, 6 pini de tipul intrări analogice, un osciloscop de 16MHz, conector

USB, jack de alimentare, header ICSP și un buton pentru resetare. Conține, de

asemenea, toate elementele necesare funcționării microcontrolerului.

Arduino UNO diferențiază fața de predecesorii săi prin faptul ca nu mai folosește

circuitul auxiliar de programare FDTI USB la serial. In schimb se folosește de

Atmega16U2, programat ca și convertor USB la serial.

33

"Uno" se traduce din italiană ca "unu" și poartă această denumire pentru a

marca lansarea versiunii 1.0 a mediului de dezvoltare Arduino.

Microcontroler ATmega328

Tensiune de operare 5V

Tensiune de intrare 7-12V

Tensiune de intrare (limite) 6-20V

Pini digitali I/O 14 (dintre care 6 pot fi ieșiri PWM)

Pini analogici I 6

Curentul maxim prin pin I/O 40 mA

Curent prin pin I/O 3.3V 50 mA

Memorie Flash 32 KB (ATmega328), 0.5 KB ocupați de bootloader

SRAM 2 KB (ATmega328)

EEPROM 1 KB (ATmega328)

Frecventa de ceas 16 MHz

Tabelul 4.1. Specificații tehnice Arduino UNO R3

Fiecare dintre cei 14 pini digitali poate fi folosit fie ca intrare fie ca ieșire folosind

funcțiile pinMode(), digitalWrite() și digitalRead(). Aceștia funcționează la o tensiune de

5V, iar curentul maxim admis este de 40mA, și au o rezistența(20-50 kOhms) de tip pull-

up internă.

Figura 4.1. Arduino UNO R3 spate

Figura 4.1. Arduino UNO R3 fața

34

Pe lângă acestea unii pini au funcții speciale, cum ar fi:

Serial: 0 (RX) și 1 (TX) folosiți pentru a primi(RX) și a transmite(TX) date seriale TTL. Acești pini sunt conectați la pinii corespunzători ai emulatorului USB la Serial TTL ATmega16U2.

Întreruperi externe: 2 și 3, aceștia pot fi folosiți pentru a activa întreruperi la detectarea unei valori mici, o muchie crescătoare sau descrescătoare, sau schimbarea stării.

PWM: 3, 5, 6, 9, 10, și 11. Furnizează un semnal de ieșire pe 8 biți folosind funcția analogWrite()

SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK).

LED: 13. De pinul digital 13 este conectat un LED.

Arduino UNO dispune și de 6 intrări analogice de la pinul A0 până la pinul A5.

Fiecare dintre acestea oferă o rezoluție de 10 biți. In plus unii dintre acești pini pot avea

și funcții specializate, cum ar fi comunicația TWI ( A4 sau pin SDA și A5 sau pin SCL).

Arduino UNO oferă numeroase facilități de comunicare intre aceasta și computer,

cu o alta placa Arduino sau alt microcontroler. ATmega328 poate realiza comunicare

serială UART TTL (5V), comunicare I2C(TWI) sau SPI

4.2.2. Senzor de distanță HC-SR04

Senzorul de distanța HC-SR04 poate măsura distanțe în gama 2 – 400 cm, cu o

precizie de până la 3 mm. Modulul include transmițătorul și receptorul ultrasonic cat și

circuitul de control.

Figura 4.3. Modul HC-SR04

35

Pentru a măsura distanța transmițătorul emite automat, opt pulsuri de 40KHz și

așteaptă ca acestea să se întoarcă. După receptarea pulsurilor emise, se poate calcula

timpul de la momentul în care a fost emis semnalul pana în momentul receptării

acestuia.

Distanța se va calcula ca fiind jumătate din durata timpului(de când semnalul a

fost emis pana la recepție) înmulțit cu viteza sunetului(340 m/s).

Tensiune de operare 5V

Curentul maxim 15 mA

Frecvența de lucru 40 KHz

Distanța maximă 4m

Distanța minimă 2cm

Unghi de măsura 15 grade

Semnal de intrare Impuls TTL 10us

Tabelul 4.2. Specificații tehnice modul HC-SR04

4.2.3. Modul Bluetooth HC-05

Modulul Bluetooth HC-05 oferă suport pentru comunicare prin SPP(Serial Port

Protocol). Modulul respecta standardul Bluetooth V2.0+EDR (Enhanced Data Rate) și

oferă viteze de transfer de pana la 3Mbps. Transmițătorul radio funcționează la

frecvența 2.4 GHz. Folosește chipul CSR Bluecore 04 extern cu tehnologie CMOS și

AFH(Adaptive Frequency Hopping Feature). Are dimensiuni reduse, de doar

12.7mmx27mm, și este ideal pentru proiectele de mici dimensiuni.

Figura 4.4. Modul Bluetooth HC-05

36

Specificații hardware:

Sensitivitate: -80dBm

Putere de transmisie RF: +4dBm

Tensiune de operare: 1.8V – 3.6V

Control PIO

Interfața UART cu baud rate programabilă

Antena integrată

Conectori laterali

Specificații software:

Baud rate implicit: 9600 (suportă: 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400,

460800)

Biți de date: 8

Bit de stop: 1

Paritate: Nu

Data control: has

Folosind un puls crescător pe PIO0, dispozitivul se va deconecta

Instrucțiune de stare PIO1: low – deconectat; high – conectat

Conectare automată la ultimul dispozitiv conectat

PINCODE implicit: ”0000”

Reconectare automată după 30 min in cazul in care conexiunea a fost întreruptă din

cauză ca dispozitivul a ieșit din raza de acțiune.

4.2.4. Driver de Motoare

Driverul de motoare are la baza circuitul L298N Dual Full-Bridge. L298N este un

circuit integrat monolitic, de tensiune înaltă și curenți mari (2A), creat pentru a accepta la

intrare standardul TTL logic și de a furniza la ieșire sarcini inductive precum relee,

solenoide, motoare alimentate in curent continuu sau motoare de tipul steper. Sunt

Figura 4.5. L298N Dual H Bridge

37

oferite 2 intrări pentru a activa și dezactiva punțile, indiferent de semnalul primit la

intrare. Emitorii tranzistoarelor inferioare ai fiecărei punți sunt conectați împreună pentru

a putea conecta o rezistentă externă.

Componentele necesare pentru acest driver sunt următoarele:

Placa PCB

Circuitul L298N (Multiwatt15)

8 diode 1N4001

2 condensatoare 100nF

2 rezistențe 0,47Ohm x 1W

Fire pentru conexiuni

4.2.5. Elemente de acționare

Motoare + sistem de reductoare 120:1 tip Pololu

Ansamblul motor plus reductoare 120:1 este ideal pentru roboți, datorită

dimensiunilor mici și puterii mari. Alimentat la o tensiune de 6V ansamblul oferă un cuplu

de aproximativ 0.5 Nm și 85 RPM. Curentul de rulare in gol este 70mA, iar curentul in

sarcină poate ajunge la 800mA.

Figura 4.6. Motoare + sistem de reductoare 120:1

38

Servomotoare - TowerPro SG90

Un servomotor este un actuator ce permite controlul exact al pozitiei unghiulare,

al vitezei și accelerației. Este format dintr-un motor set de roti dințate pentru a reduce

viteza de rotație și a crește cuplul, și un senzor pentru a returna poziția exactă a

rotorului.

Specificații tehnice:

Greutate: 9g

Dimensiuni(L x W x H): 22.0 x 11.5 x 27 mm

Cuplul la 4.8V: 1.17 Nm (1.2 kg/cm)

Tensiune de alimentare: 4 – 7V

Viteza la 4.8V: 0.12 sec/ 600.12 sec/ 60 grade

4.3. Arhitectura hardware a robotului

Înainte de a Începe conectarea pieselor intre ele este foarte important sa avem

în vedere specificațiile tehnice ale fiecăreia. Printre cele mai importante aspecte ce

trebuie luate in considerare sunt: tensiunea de alimentare, puterea consumată,

polaritatea(dacă este cazul).

Senzorii ultrasonici de distanță HC-SR04 au nevoie de o tensiune de alimentare

de 5V, așa că pot fi alimentați de la pinul 5V al Arduino UNO. Pentru proiecte mai mari

se recomandă alimentarea de la surse diferite.

Figura 4.6. Servomotor

39

HC-SR04 are funcționează pe principiul sonarului(trimite un semnal audio și

așteaptă până acesta se întoarce) și are nevoie de 2 pini: TRIG și ECHO.

Astfel vom conecta pinul TRIG(violet) la pinul 7(respectiv 12) al Arduino, acesta

va fi setat ca și ieșire digitala. Pinul ECHO(portocaliu) se va conecta la pinul 8(respectiv

13) al Arduino, ce va fi setat ca intrare digitală.

Modulul Bluetooth HC-05 are nevoie de o tensiune de alimentare de 3.3V. De

aceea vom alimenta modulul de la pinul 3.3V de pe placa Arduino.

Deoarece Arduino folosește standardul TTL(5V) pentru comunicarea serială, iar

modulul Bluetooth funcționează la 3.3V vom face un divizor de tensiune pentru a

reduce tensiunea de 5V venită de la Arduino (pinul TX). Valorile rezistențelor folosite vor

fi de 2k Ohm respectiv 1k Ohm.

Regula divizorului de tensiune se poate aplica pentru a determina tensiunea de

la ieșirea unui circuit ca cel prezentat mai jos, fără sarcină la ieșire. În acest caz ambele

rezistoare sunt parcurse de același curent I, determinat cu legea lui Ohm:

Figura 4.7. Conectare Arduino - HC-SR04

40

Vom putea afla valoarea tensiunii la ieșire U0, folosind formula:

Daca înlocuim in formulă cu valorile noastre vom obține o valoare de

aproximativ 3.33V pentru U0, exact ceea ce ne doream.

Figura 4.8. Divizorul de tensiune

Figura 4.9. Conexiune Arduino - Modul Bluetooth

41

Motoarele de tipul servo sunt de diverse dimensiuni și puteri. Modelul ales de

noi, este unul ce poate fi alimentat la 5V și are un cuplu de maxim 90g, mai mult decât

suficient pentru a mișca senzorul de distanță.

Pentru a funcționa servomotorul necesita un singur pin digital PWM de pe placa

Arduino. Pentru a înțelege mai bine cum funcționează un servomotor, in figura 4.10

este descris modul in care frecvența semnalului PWM influențează unghiul de rotație al

servomotorului.

Astfel vom conecta borna de alimentare a servo, la pinul 5V al Arduino, firul de

masă la GND, iar firul de semnal la un pin digital PWM (9 respectiv 10).

Figura 4.10. Principiul de funcționare al unui

servomotor

Figura 4.11. Conexiune Arduino - Servomotoare

42

Motoarele ce acționează roțile au nevoie de sursă separată de alimentare,

deoarece acestea au nevoie de o tensiune și un curent mai mare(9v și 1A). Motoarele

pot introduce in sistem impedanțe mari, datorita regimului de generator al acestora.

Pentru a rezolva aceste doua impedimente este necesara construirea unui driver de

motoare. Acesta este format in jurul circuitului L298N Dual Full-Bridge, alături de 8

diode, 2 rezistențe și 2 condensatoare. Rolul driverului de motoare este de primi intrări

comandate in 5V(de la Arduino) și de furniza la ieșire comenzi in tensiunea și curentul

dorit alimentării motoarelor.

Driverul astfel creat va primi 6 intrări și va furniza 4 ieșiri. Cele 4 ieșiri vor fi

legate la bornele motoarelor, iar cele 6 intrări la pinii Arduino. „Enable A” și „Enable B”

decid daca motoarele primesc curent sau nu, o valoare mare pe acești pini va permite

curentului sa se scurgă către motoare, iar o valoare mică nu. Deci vom lega aceste două

borne la pinii digitali 2 și 4 de pe Arduino. Celelalte patru intrări vor fi legate la pinii

digitali PWM 3, 5, 6 și 11, deoarece curentul de la ieșirea driverului de motoare va fi

direct proporțional cu valoarea primită la intrare.

Figura 4.12. Conexiunea Arduino - driver

de motoare - motoare

43

4.4. Componente software

Partea software a acestui proiect consta in două aplicații, una creata pentru

dispozitivele mobile ce rulează sistemul de operare Android, și una creată pentru

Arduino. Cele doua aplicații pot comunica intre ele wireless prin Bluetooth.

4.4.1. Algoritmul aplicației smartphone

Programul scris pentru dispozitivele mobile are rolul de a crea o interfața cu

utilizatorul, de a oferi un mod de control asupra robotului. Astfel am creat o aplicație

compatibila cu sistemul de operare Android (de la v2.3 in sus), optimizată pentru a

funcționa pe Android v4.2.2 Jelly Bean, și dispozitivul Google Nexus S.

Aplicația poate găsi dispozitivele Bluetooth împerecheate cu telefonul și oferă

utilizatorului posibilitatea de a se conecta la dispozitivul dorit.

După ce s-a stabilit o conexiune intre telefon și robot, layout-ul principal se

modifică.

Noul layout conține butoanele necesare comandării robotului. În partea de jos se

afla 3 butoane (Manual, PID și Automat) prin care putem seta regimul de funcționare. In

Figura 4.12. Afișarea dispozitivelor împerecheate

cu telefonul

44

partea de sus se află butoanele direcționale necesare comandării manuale a robotului,

iar in partea centrală se află butonul pentru oprirea de urgență.

Programul sursă al aplicației cuprinde și următoarele funcții:

private void checkBt() – verifică dacă telefonul este compatibil Bluetooth, apoi

verifică starea acestuia, pornit sau oprit. In cazul in care Bluetooth-ul este oprit

utilizatorul este alertat și întrebat dacă dorește pornirea acestuia. Daca utilizatorul

dorește acest lucru aplicația va continua rularea, altfel se va opri executarea.

Figura 4.12. Butoanele necesare comandării

robotului

Figura 4.13. Cererea de activare Bluetooth

45

private void startDiscovery() – caută dispozitivele din aria sa de acoperire.

private void getPairedDevices() – verifică ce dispozitive din cele descoperite, sunt

deja împerecheate cu telefonul. Dispozitivele împerecheate sunt salvate intr-un

ArrayList de tipul <String>.

public void onReceive(Context context, Intent intent) – populează lista cu

dispozitivele descoperite, daca acestea sunt împerecheate cu telefonul textul

„(Paired)” va apărea alături de numele și adresa fizică a dispozitivului.

public void onItemClick(AdapterView<?> arg0, View arg1, int arg2, long arg3) –

funcție se apelează atunci când utilizatorul selectează un dispozitiv din listă,

aceasta anulează comanda de descoperire dispozitive și deschide un nou canal

de comunicație, in cazul în care dispozitivul este deja împerecheat, altfel

returnează un mesaj de eroare.

public void handleMessage( Message msg) – verifică daca s-a reușit conexiunea

și dacă aceasta este încă activa. Daca da, se trimite un caracter de test (“#”). In

cadrul acestei funcții sunt definite și butoanele, cu acțiunile aferente acestora.

button1.setOnClickListener(new OnClickListener() – funcția este apelată la

apăsarea butonului button1. La apelare funcția va trimite un caracter prin

conexiunea deja deschisă. Caracterul trimis diferă in funcție de butonul apăsat:

o "w" – Înainte

o "a" – Stânga

o "d" – Dreapta

o "s" – Înapoi

o "q" – Stop

o "h" – Oprire de urgența

o "m" – Manual

o "n" – Automat

o "p" – PID

Astfel aplicația este capabilă să descopere dispozitivele din raza sa de acțiune,

poate face diferența dintre un dispozitiv deja împerecheat și unul nou. Apoi se poate

conecta la unul din dispozitivele împerecheate selectate de utilizator. După stabilirea

conexiunii, telefonul este capabil sa trimită mesaje către robot, acestea urmând sa fie

interpretate ca și comenzi.

46

4.4.2. Algoritmul programului Arduino

Pe placa de dezvoltare Android se afla un program scris in limbajul nativ

Android. Acesta are rolul de prelucra informațiile preluate de la senzori si de la modulul

Bluetooth, si să comande mișcarea robotului.

Pentru a îndeplini aceste funcții trebuie ca mai întâi sa definim pinii pe care ii

vom folosi si tipul acestora(intrare/ieșire). Astfel vom avea:

Pin 2, 3, 4, 5, 6, 10 – ieșiri digitale (3, 5, 6, 10 - PWM), necesare funcționării

roților

Pin 7, 12 – ieșiri digitale, necesare senzorilor de distanța

Pin 8, 13 – intrări digitale, necesare senzorilor de distanța

Pin 9, 11 – ieșiri digitale PWM, necesare servomotoarelor

Pin 0(RX) și 1(TX) – necesari pentru comunicația Bluetooth

După ce am trecut de partea de inițializare a pinilor si variabilelor in funcția void

setup(). programul are următorul comportament: verifică in ce mod de operare se află,

verifică dacă este deschisă conexiunea cu telefonul, iar daca primește un caracter îl

verifică pentru a determina, daca schimbă modul de operare, sau inițiază o comandă.

Daca nu este disponibila conexiunea Bluetooth, sau caracterul venit nu este unul dorit

atunci programul își continuă rularea in modul anterior stabilit.

Bucla principală:

mod := ‘*’ ;

repeta

dacă mod = ’*’ execută mod_manual();

dacă mod = ’%’ execută mod_autonom();

dacă mod = ’#’ execută mod_PID();

șir_primit = “ ”

dacă șir_primit <> null execută

dacă șir_primit = ’n’ executa mod := ”%”

altfel dacă șir_primit = ’m’ executa mod := ”*”

altfel dacă șir_primit = ’p’ executa mod := ”#”

cât timp 1 = 1;

Pentru a măsura distanța am creat funcția int distanta(int trigPin, int echoPin),

aceasta returnează o variabila de tip întreg in care este memorată valoarea distanței

măsurate. Funcția primește ca parametri valoarea pinilor la care se află legat senzorul.

Funcția trimite un semnal de 10ms pe pinul TRIG, apoi așteaptă ca semnalul să

se întoarcă pe pinul ECHO. Distanța se va calcula ca fiind jumătate din durata

47

timpului(de când semnalul a fost emis pana la recepție) înmulțit cu viteza sunetului(340

m/s).

În cazul în care robotul se află in modul manual de funcționare se va apela

funcția void mod_manual(). In interiorul acestei funcții vom seta poziția servomotoarelor

la 900, iar in funcție de caracterul primit prin Bluetooth, comandă roților sa se rotească

înainte, înapoi sau să nu se rotească.

void mod_autonom() este funcția ce se apelează atunci când se activează

semaforul pentru a începe modul autonom de lucru. Aici vom seta poziția servomotorului

din față la 900(poziția înainte), si vom comanda roțile sa se rotească înainte. Această

operație va fi întreruptă doar dacă valoarea returnată de funcția ce măsoară distanța

este mai mică decât 15 cm. În cazul în care se întâmplă acest lucru vom trimite

comandă roților sa meargă înapoi, apoi vom apela funcția ce returnează distanța, de

doua ori, o dată după ce setam servomotorul in poziția cea mai din stânga, și încă o

dată, când setăm servomotorul in poziția cea mai din dreapta. Acum putem compara

distanța liberă din stânga si din dreapta. După această evaluare, se ia decizia de a

merge in partea stângă sau in partea dreaptă, in funcție de distanța mai mare

disponibilă.

Din dorința de a automatiza si mai mult acest robot, am creat modul de

funcționare PID. Acesta ascunde in spate un algoritm de reglare de tipul

PID(proporțional integrativ derivativ).

Acești algoritmi există de mai bine de 100 de ani, dovedindu-se eficienți în

controlul aplicațiilor industriale de diferită natură, iar in ultima perioadă au început sa fie

utilizați în aplicații simple de robotică.

Pentru a înțelege algoritmul mai ușor vom face o analogie cu un șofer care

încearcă sa mențină constantă viteza automobilului. Aceasta va fi influențată de

înclinarea drumului, viteza vântului, calitatea carburantului, si mulți alți factori, iar pentru

a menține viteza la o valoarea constantă șoferul va ajusta pedala de accelerație.

În cazul robotului, avem senzorii de distanță ultrasonici, pentru a afla poziția

relativă a acestuia. Există mai multe metode pentru a transpune in cifre modul in care

mediul influențează poziția robotului. O metodă cu un grad de complexitate mai mic este

aceea de a crea o variabilă numită eroare, aceasta își va modifica in mod constant

valoarea, fiind calculată ca și diferența dintre valoarea distanței returnată de senzorul

din față si cea returnată de senzorul de distanță din spate. Pentru a fi pe calea cea

bună, eroarea ar trebui sa fie cat mai apropiată de 0, dacă eroarea este negativa atunci

înseamnă ca robotul a deviat de la traseu in partea dreaptă, in caz contrar in partea

stângă.

48

Pentru a controla abaterea fata de poziția dorită, putem micșora sau mări viteza

fiecărei roți cu o anumita constantă pe baza semnului erorii. Sa luam de exemplu viteza

rotii stângi. Comanda pentru aceasta va respecta următoarea formulă. De menționat

este faptul că pe roata dreaptă aplicăm aceeași formulă dar cu semnele inversate

Acest model va funcționa foarte bine, însă vom avea parte de oscilații mari,

deoarece schimbarea de turație va fi foarte bruscă indiferent de mărimea erorii. Acest

model este un exemplu de control proporțional și astfel putem adapta formula:

Dacă vrem să eliminam din aceste oscilații bruște, atunci când avem o eroare

mai mare trebuie să avem si o comandă mai mare, iar când eroarea este mică și

comanda trebuie să fie mică. Aceasta este componenta integrală a algoritmului de

reglare PID.

Iar daca vrem o comandă si mai lină putem adăuga si ultima componentă a

regulatorului PID, și anume componenta derivativă.

Pentru a implementa formula de mai sus pe un microcontroler este necesară

discretizarea acesteia. Una din cele mai simple metode de discretizare o reprezintă

dezvoltarea in serie Taylor a derivatei și o aproximare Riemann a integralei. Astfel

obținem următoarea formulă:

49

După ce vom include valoarea lui ∆t in interiorul constantelor Ki și Kd vom

ajunge la următorul algoritm, ce calculează diferența de viteză ce trebuie aplicată

fiecărei roți.

eroarea_anterioară = 0

integrala = 0

repeta

eroarea_curentă = distanța_față – distanța_spate

integrala = integrala + eroarea_curentă

derivata = eroarea_curentă – eroarea_anterioară

comanda = Kr * eroarea_curentă + Ki * integrala + Kd* derivata

eroare_anterioară = eroarea_curentă

cat timp (1==1)

Pentru a afla valorile constantelor Kr, Ki si Kd, am folosit metoda de acordare

experimentală Ziegler-Nichols. Această metodă se bazează pe încercarea mai multor

valori ale constantelor, iar in urma măsurătorilor alegem varianta cea mai bună, mai

exact:

Am ales Kr = 5 , iar Kd și Ki 0, după mărirea progresivă a valorii lui Kr, am

observat ca robotul rămâne pe traseul stabilit atunci când Kr = 9.

Am lăsat valoarea lui Kr nemodificată si am crescut cu pași mici Kd, in jurul valorii

0,6 oscilațiile au început sa scadă in intensitate.

Am încercat si mărirea constantei Ki, însă au apărut oscilații prea mari, valoarea

acesteia influențând intr-un mod accentuat efectul asupra robotului.

4.5. Etapele construirii robotului

Deoarece construirea robotului are un grad mediu de dificultate, am luat decizia

de a împarți construcția lui in câteva etape cu un grad mai scăzut de dificultate. Testând

la fiecare etapă subansamblele implicate si conexiunile aferente, putem executa mai

ușor operațiuni de depanare si calibrare, rezultatul final fiind cel așteptat.

Figura 4.14. Șasiu + Arduino UNO

50

Am început prin a asambla șasiul și roțile. După ce ne-am asigurat că toate

piesele sunt corect fixate, iar motoarele funcționează am trecut mai departe, la

construirea driverului de motoare. Aceasta a fost o operație minuțioasa ce a necesitat

însă un grad mic de dificultate. După construcție acesta a fost testat si pus pe șasiu.

Următorul pas a fost reprezentat de montarea primului senzor de distanța pe

servomotor, și conectarea la Arduino. Acest pas a implicat si calibrarea senzorului,

pentru a fi gata de folosire imediat ce tot ansamblul va fi gata.

Au urmat adăugarea celui de-al doilea ansamblu servomotor-senzor de distanța

si a modulului Bluetooth. Rezultatul final este acesta:

Figura 4.15. Driver de motoare

Figura 4.16. Robot autonom

51

Concluzii

Această lucrare descrie modul de implementare al unui robot autonom mobil, cu

o placă Arduino UNO și interfață de comandă wireless pe un dispozitiv Android folosind

comunicarea Bluetooth.

Robotul reușește să îndeplinească toate sarcinile pentru care a fost creat, are

atât un mod autonom, cat si unul manual și dispune de un mod de oprire de urgența

comandat in caz de avarii. Al treilea mod de funcționare si anume modul in care robotul

urmărește cu succes peretele, reprezintă o implementare practica a algoritmului de

reglare PID.

Întregul ansamblu, format din robot mobil și Android, reprezintă doar o

implementare practica a noțiunilor dobândite in facultate, aplicațiile sale viitoare putând

fi nelimitate, implementarea regulatorului de tip PID îl face ideal pentru integrarea intr-un

robot de uz casnic de tipul aspiratorului inteligent, de asemenea posibilitatea de

comunicare cu un dispozitiv wireless Îi poate aduce numeroase aplicații si in domenii

unde prezența oamenilor este imposibila sau ostilă, robotul putând fi comandat de la o

distanța sigură.

Principalele limitări actuale ale acestui robot se refera la distanța de la care

poate fi comandat (aproximativ 10m), durata de viață a bateriilor și precizia senzorilor.

La nivel software, minusurile pot fi considerate: aplicația de comandă ce rulează pe

telefonul mobil, interfața simplistă, și instabilitatea aplicației.

52

Anexe

Anexa 1.Diagrama pinilor Arduino

53

Anexa 1.Schema electrica Arduino UNO

54

Anexa 1.Diagrama pinilor modulului Bluetooth HC-05

55

Listă imagini, tabele și abrevieri

56

Bibliografie Drăgan, Violeta 2013. Utilizarea roboţilor din generaţia a treia. Editura Sfântul Ierarh Nicolae

Isaac Asimov 1942. Runaround.

http://en.wikipedia.org/wiki/Microcontroller

Bray, Jennifer şi Sturman, Charles F. „Bluetooth – Connect without Cables” – Prentice all PTR, 2001

Ericsson Mobile Communications AB „Users Manual – Bluetooth PC Reference Stack by Ericsson”, 2000

Ericsson Web Site www.ericsson.com/bluetooth

http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth

http://www.eclipse.org/org/#about

http://en.wikipedia.org/wiki/Microcontroller

http://www.ericsson.com/bluetooth

http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth

http://www.eclipse.org/org/#about

LUCRARE DE LICENŢĂ -...

Documents

Transcript of LUCRARE DE LICENŢĂ -...