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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Roboter mit Solarzellenantrieb. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Die Kindheit hinterlässt bei jedem von uns Spuren, unabhängig vom Alter; Am häufigsten wird es mit der Liebe zu Spielzeug in Verbindung gebracht. Anscheinend hat uns die Liebe zu Spielzeugen wie Robotern später gepackt, beeinflusst durch das allgemeine Interesse an der Erforschung des Weltraums. Doch je mehr Gründe uns dazu veranlassen, uns für Roboter zu interessieren, desto besser. In diesem Kapitel haben Sie die Gelegenheit, einen charmanten kleinen Roboterfreund namens Harvey kennenzulernen. Das Spielen damit macht viel Freude, aber das Selbermachen ist nicht weniger interessant. Während die meisten Roboter sehr leistungsfähig sind, ist Harvey in dieser Hinsicht weniger bemerkenswert. Er ist ein geradliniger Mensch mit einem Ziel: der weißen Linie zu folgen. Tatsächlich wird er unermüdlich den geplanten Weg rund um den Globus verfolgen und zurückkehren. Darüber hinaus wird es von der Sonne „angetrieben“. Robotersteuerung Jeder Roboter muss mobil sein, d. h. sich von Ort zu Ort bewegen können, sowie über Navigationsfähigkeiten während der Bewegung verfügen. Diese beiden unterschiedlichen, aber verwandten Anforderungen werden von zwei separaten Geräten erfüllt. Der erste steuert die mechanische Bewegung des Roboters. Hierzu werden Servomechanismen eingesetzt. Ein Servo ist ein mechanischer Teil eines Roboters, ähnlich den menschlichen Muskeln. Harvey benötigt zwei Servosysteme: eines, um sich vorwärts zu bewegen (wie ein Automotor), das andere, um die Bewegung zu steuern. Es ist nicht immer einfach sicherzustellen, dass diese beiden Systeme zusammenarbeiten. Das Problem wird auf zwei Arten gelöst. Im ersten werden beide Funktionen zu einer zusammengefasst. Zur Erläuterung wenden wir uns der Abbildung zu. 1.
Aktives Bewegungssteuerungssystem Um den Wagen (Harvey-Roboter) zu bewegen, ist es am einfachsten, die Antriebsräder auf die Achse zu setzen und sie zu drehen. Zu diesem Zweck vorgesehene Vorrichtungen wurden schon vor langer Zeit erfunden; dazu zählen Ketten-, Keilriemen- und Zahnradantriebe sowie der Direktantrieb (durch einen Motor). Wenn sich beide Räder mit der gleichen Geschwindigkeit drehen, bewegt sich der Roboter geradlinig vorwärts (natürlich, wenn beide Räder den gleichen Durchmesser haben). Die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters ist proportional zur Rotationsgeschwindigkeit der Räder. Betrachten wir den Fall, dass die Drehzahlen der Räder nicht gleich sind. Dies lässt sich erreichen, indem man die Achse in zwei Hälften teilt und jedes Rad mit einem separaten Antrieb ausstattet. Nach wie vor bewegt sich der Roboter geradlinig, wenn sich beide Räder mit der gleichen Geschwindigkeit drehen. Wenn die Drehgeschwindigkeit eines Rades, beispielsweise des linken, abnimmt, dreht sich der Wagen nach links. Warum? Der ganze Grund liegt darin, dass ein Rad, das sich mit einer niedrigeren Geschwindigkeit dreht, tatsächlich einen Drehpunkt bildet (auch wenn es sich bewegt), um den sich ein anderes Rad mit einer höheren Rotationsgeschwindigkeit bewegt. Wenn Sie das linke Rad fast vollständig anhalten, beschreibt der Wagen auf der Stelle einen kleinen Kreis mit einem Radius, der dem Abstand zwischen den Rädern entspricht. Ebenso bewirkt die langsame Drehung des rechten Rades relativ zum linken, dass sich der Roboter nach rechts dreht. Tatsächlich werden hier die Funktionen zweier Mechanismen in einem vereint. Die separate Änderung der Radgeschwindigkeit gewährleistet nicht nur die Bewegung des Wagens, sondern auch die Steuerung der Bewegungsrichtung. Bei vielen Robotern nutzen sie meist eine kurzzeitige Abschaltung der Drehung des einen oder anderen Rades und erreichen dadurch die notwendige Bewegungssteuerung. Dieses Bewegungsprinzip geht mit einem leichten Rütteln einher. Wenn die Zeit, in der sich das Rad nicht dreht, jedoch kurz genug ist, werden die Stöße geglättet und die Bewegung wird relativ gleichmäßig Passive Bewegungssteuerung Bei der zweiten Methode werden die Funktionen Bewegung und Kontrolle getrennt. Es gibt eine feste Achse, die für eine geradlinige Bewegung sorgt, und ein vorderes Lenkrad (oder Radpaar) dient der Richtungsänderung. Das Autofahren basiert auf diesem Prinzip.
Wenn das Lenkrad parallel zu den Antriebsrädern steht, bewegt sich der Roboter geradeaus (Abb. 2). Drehen Sie das Rad nach links und er fährt nach links, drehen Sie es nach rechts, dreht sich der Roboter nach rechts, genau wie ein Auto. Der Vorteil dieser Methode ist die reibungslose Steuerung. Der Roboter kann schrittweise oder auf einmal drehen, ohne jemals die Hinterräder anzuhalten. Aus Gründen, die später klar werden, wurde diese Methode zur Steuerung des Harvey-Roboters gewählt. In diesem Fall wird das Lenkrad von einem kleinen Elektromotor angetrieben. ектронное авление Wir sind in der nächsten Phase der Entwicklung eines Roboters angelangt – einem Tracking-Steuerungssystem. Ohne ein gewisses Maß an Intelligenz würde Harvey einfach wahllos von einer Seite zur anderen „durchstreifen“. In den meisten Fällen ist die Motorsteuerung eine Frage der Elektronik. Um Harveys weiße Linie zu „sehen“, sind „Augen“ erforderlich. Harveys Augen sind ein Paar Fototransistoren Q1 und Q2, wie in Abb. 3. Ein Fototransistor ist ein gewöhnlicher Transistor, bei dem der obere Teil des Körpers entfernt und die Basis mit Licht beleuchtet wird. Das Licht wird normalerweise mithilfe einer Linse, die gleichzeitig als Abdeckung für den Transistorkörper dient, auf den pn-Übergang fokussiert.
Wenn Licht auf den Basisbereich trifft, fließt ein Kollektorstrom proportional zur Intensität des Lichts durch den Transistor. Mit anderen Worten: Das normalerweise am Basisanschluss anliegende Signal wird nun durch das einfallende Licht erzeugt. In den meisten Fällen, darunter auch bei uns, verfügt der Fototransistor nur über zwei Anschlüsse und es gibt keinen Basisanschluss. Fototransistoren werden über eine Strom-Spannungs-Wandlerschaltung mit Operationsverstärkern (Op-Amps) verbunden. Wie Sie aus der Grundelektronik wissen, ist ein Operationsverstärker ein Stromverstärker. Die Ausgangsspannung des Verstärkers hängt vom Strom ab, der durch den invertierenden Eingang fließt. In einem herkömmlichen Schaltkreis wird das Ausgangssignal zum invertierenden Eingang zurückgeführt, wo das Signal summiert wird. Wenn Rückkopplungsstrom und Eingangsstrom gleich sind, befindet sich der Verstärker im Gleichgewichtszustand. Wenn ein Widerstand (R2 in Abb. 3) in den Rückkopplungskreis einbezogen wird, ist der Spannungsabfall an diesem Widerstand proportional zum durch ihn fließenden Strom. Diese Spannung ist außerdem proportional zum Eingangssignal und wird vom Pin am Ausgang des Operationsverstärkers abgenommen Darüber hinaus verfügt der Operationsverstärker über ein weiteres interessantes Feature, das wir uns zunutze gemacht haben. Dies bedeutet das Vorhandensein von Differenzeingängen. Ihre Besonderheit besteht darin, dass das am nichtinvertierenden Differenzeingang anliegende Signal tatsächlich vom Signal am invertierenden Differenzeingang subtrahiert wird. Es findet so etwas wie ein Balanceakt statt. Wenn die Eingangsströme an den Pins 2 und 3 gleich sind, heben sie sich auf und es ist keine Rückkopplung erforderlich, um den Stromkreis auszugleichen. Daher ist der Spannungsabfall am Widerstand R2 auch dann Null, wenn ein Signal vorhanden ist. Die Größen der Eingangsströme werden durch die Kollektorströme der Fototransistoren Q1 und Q2 bestimmt. Bei gleicher Bestrahlung der Transistoren mit Licht fließen gleiche Ströme. Da es unmöglich ist, ein Transistorpaar mit perfekt passenden Eigenschaften auszuwählen, wird in der Schaltung ein variabler Widerstand VR1 verwendet, um den geringfügigen Unterschied zwischen den beiden „Augen“ von Harvey zu beseitigen. Die Fototransistoren werden auf einer kleinen Platte ähnlich der in Abb. gezeigten platziert. 4 und sind durch eine Trennwand getrennt, auf der sich eine leistungsstarke Infrarot-LED SD1 befindet. Da die Fototransistoren von dieser Lichtquelle abgeschirmt sind, trifft deren Strahlung nicht direkt auf sie. Wenn Sie das Gerät näher an eine reflektierende Oberfläche bringen, ändert sich alles. Licht wird von der Oberfläche reflektiert und von Fototransistoren erfasst. Die Lichtmenge, die die Fototransistoren erreicht, hängt von den optischen Eigenschaften der reflektierenden Oberfläche ab. Ein ähnliches Prinzip liegt Harveys Vision zugrunde. Von einer spiegelnden hellen Oberfläche wird mehr Licht reflektiert als von einer dunklen. Die weiße Oberfläche hat das größte Reflexionsvermögen, bei allen anderen Farben nimmt das Reflexionsvermögen je nach Absorptionskoeffizient ab. Eine schwarze Oberfläche reflektiert am wenigsten Licht.
Harveys Wirkprinzip lässt sich anhand einer weißen Linie auf dunklem Hintergrund analysieren. Platzieren wir den Roboter zunächst genau über der weißen Linie, damit die Fotosensoren gleichermaßen auf IR-Strahlung reagieren. Dann liegt am Ausgang der Schaltung IC1 keine Spannung an. Wenn Sie den Roboter nach links oder rechts bewegen, entfernt sich der entsprechende Fototransistor von der weißen Linie und erhält daher im Vergleich zum anderen weniger Licht. Am Ausgang des Operationsverstärkers erscheint eine Spannung der einen oder anderen Polarität. Jetzt haben wir ein Signal, das der Position des Roboters relativ zur weißen Linie entspricht, während er sich entlang dieser „Autobahn“ bewegt. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers wird zwei Komparatoren IC2 und IC3 zugeführt, die nach einem Zwei-Schwellwert-Gerät verschaltet sind. Bei dieser Verschaltung liegen beide Ausgänge auf niedrigem Potential, wenn die Eingangsspannung innerhalb bestimmter durch den Teiler vorgegebener Grenzen liegt über die Widerstände R4, R5 und R6. Wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers unter die untere Grenze des eingestellten Bereichs fällt, wird der Komparator auf dem IC3-Chip ausgelöst und sein Ausgang auf ein hohes Potenzial gesetzt. Der Basisstrom öffnet den Transistor Q4 und verbindet den Lenkmotor mit dem Minuspol (-3 V) der Stromversorgung. Der Motor wiederum eliminiert durch Änderung des Drehwinkels des Lenkrads die Verschiebung der Lichtempfangsfläche der Fototransistoren relativ zur weißen Linie. Das Gleiche passiert, wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers die Obergrenze überschreitet. Der Komparator auf dem IC2-Chip wird ausgelöst und schaltet den Transistor Q3 ein. Der Lenkmotor wird nun an den Pluspol (+3V) der Stromversorgung angeschlossen und dreht sich in die entgegengesetzte Richtung, wodurch wiederum das Gieren ausgeglichen wird. Wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers Null ist, sind beide Transistoren Q3 und Q4 ausgeschaltet. Roboter Harvey bauen Nachdem wir nun unsere Einführung in die Grundsysteme des Roboters abgeschlossen haben, kommen wir zum lang erwarteten Schritt, Ihren eigenen Harvey-Roboter zu bauen. Das Erstellen eines Roboters erfordert etwas mehr Aufwand als die meisten in diesem Buch beschriebenen Bastelarbeiten, insbesondere wenn Sie verschiedene Materialien verwenden. Ich muss zugeben, dass ich die Sache stark vereinfacht habe. Am Neujahrstag ging ich zum nächstgelegenen Radioteileladen und kaufte (das ist besser, als es selbst zu bauen) ein ferngesteuertes Spielzeugauto, bei dem bereits alle mechanischen Komponenten bereit waren. Ich habe mich für ein defektes Fahrzeug entschieden, das nach den Feiertagen in die Filiale zurückgebracht wurde und bald weggeworfen werden sollte. Dem Spielzeug fehlte eine Sendeeinheit, aber alle Motoren und Bewegungssteuerungsmechanismen waren intakt und funktionsfähig. Erstens hat der Kauf viel Zeit und Geld gespart. Da mein Gewissen nun rein ist und ich gestanden habe, wie ich es geschafft habe, die Arbeit an der Entwicklung des Roboters zu beschleunigen, machen wir weiter. Entfernen Sie zunächst alles Unnötige aus dem Auto. Es müssen nur das Fahrgestell mit Rädern, der Motor der Antriebsräder und die Lenkvorrichtung mit eigenem Motor belassen werden. Das Auto verfügt normalerweise über ein Batteriefach. Wenn das Auto ferngesteuert ist, bewahren Sie den Empfänger und den Sender für Ihre zukünftigen Heimwerkergeräte auf. Installieren Sie zunächst ein Panel mit Fototransistoren und einer LED unten und vorne am Fahrzeugchassis. Aus einem Stück dickem, dunklem Kunststoff schneide ich eine Platte aus, deren Form in Abb. dargestellt ist. 4. Auf Wunsch können die Fototransistoren und LEDs direkt am Fahrzeugchassis montiert werden, sodass ausreichend Abstand zwischen dem tiefsten Punkt des Chassis und eventuellen Hindernissen auf dem Weg gewährleistet ist. Bedenken Sie außerdem, dass der Fotodetektor umso empfindlicher auf kleine Änderungen der Straßenverhältnisse reagiert, je weiter Sie ihn nach vorne bewegen (Versatz zur weißen Linie). Wenn Sie einen Kompromiss zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit des Roboters und seiner Laufruhe wählen möchten, installieren Sie Fototransistoren näher an den Antriebsrädern.
Vergessen Sie nicht, die Fototransistoren von der LED zu trennen. Als Verschluss können Sie ein kleines Stück undurchsichtiges Plastik oder Papier verwenden. Der nächste Schritt besteht darin, den Steuerkreis zusammenzubauen. Wie bei den meisten in diesem Buch beschriebenen Geräten erfolgt der Zusammenbau mithilfe einer Leiterplatte, deren Diagramm in Abb. dargestellt ist. 5, und die Anordnung der Teile ist in Abb. 6. Überprüfen Sie, ob alle Stromquellen sicher angeschlossen sind. Nehmen Sie sich dafür Zeit, sonst arbeitet der Roboter instabil. Das Antriebsrad und die Lenkmotoren sind durch RC-Ketten (R9, C8 bzw. R10, C9) geschützt. Nachdem Sie die Funkkomponenten auf der Platine installiert haben, setzen Sie diese anstelle der Funkempfängerplatine ein. Befestigen Sie bei der Endmontage die Fototransistorleitungen möglichst weit entfernt von den Anschlussleitungen zu den Motoren. IC1 hat eine sehr hohe Verstärkung und kann Störsignale problemlos verstärken. Wenn Rauschen bekämpft werden muss, verwenden Sie zum Anschluss der Fototransistoren ein abgeschirmtes Kabel. Im Batteriefach ist ausreichend Platz für die Batterien, die Harvey mit Strom versorgen. Ihr Anschluss muss jedoch gemäß der Abbildung oben geändert werden, indem an der Stelle, an der die beiden Batterien angeschlossen sind, ein Hahn angebracht wird. Benutzen Sie den Schalter im Stromkreis des Spielzeugautos. Zum Betrieb des Roboters ist ein Satz Batterien mit einer Gesamtspannung von 9 V erforderlich. Daher kann der freie Platz im Batteriefach zur Unterbringung weiterer Schaltungskomponenten genutzt werden, von denen einige im Folgenden besprochen werden. Harvey-Gesundheitscheck Nachdem Sie sichergestellt haben, dass die Installation korrekt ist, können Sie mit der ersten Überprüfung der Funktionalität des Roboters fortfahren. Legen Sie bei ausgeschaltetem Netzschalter vier wiederaufladbare Nickel-Cadmium-Batterien in das Stromfach ein. Nach dem Einschalten des Kippschalters sollte sich der Roboter vorwärts bewegen und drehen. Überprüfen Sie sorgfältig das Bewegungsmuster des Roboters. Die Lenkung kann getestet werden, indem man mit einer Taschenlampe zuerst einen Fototransistor und dann den anderen beleuchtet. Wenn die Drehrichtung eines Motors falsch ist, tauschen Sie die Polarität seiner Klemmen aus. Überprüfen Sie nun die Arbeit des Harvey-Roboters an einem Kreis, der durch einen weißen Streifen beschrieben wird, der am besten auf einem schwarzen Hintergrund gezeichnet wird. Der Kreisradius sollte nicht kleiner sein als der Drehradius des Lenkrads. Nachdem Sie Harvey auf der Strecke platziert haben, schalten Sie den Strom ein und beobachten Sie, wie sich der Roboter bewegt. Stromquelle Das Harvey-Roboterdesign verwendet im Wesentlichen zwei optoelektronische Systeme, die sich in ihren Funktionsprinzipien unterscheiden. Mit einer davon (der „Vision“ des Roboters) haben wir uns bereits beschäftigt; Sein Betrieb wird durch lichtempfindliche Elemente (Fototransistoren) gewährleistet, die den Strom des Lenkmotors steuern.
Das andere optoelektronische System des Roboters ist eine Solarbatterie, die die Batterien geladen hält. Es ist kaum zu glauben, aber Harvey „betreibt“ eine sehr kleine Menge Strom. Tatsächlich reicht ein vollständig aufgeladener Satz Batterien für einen autonomen Betrieb von etwa einer Stunde aus. Danach muss der Roboter beleuchtet werden, um den Betrieb wieder aufzunehmen. Wenn Harvey in der Sonne ist, lädt er sich während der Fahrt auf.
Um seinen Bedarf zu decken, werden nur 12 Solarzellen benötigt. Obwohl jedes Element verwendet werden kann, das 80 mA oder mehr Strom erzeugt, habe ich zwei Größen gefunden, die am besten funktionieren. Eine Batterie mit Zellen der ersten Standardgröße, dargestellt in Abb. 8, bestehend aus drei runden Elementen, die in vier Teile unterteilt sind; Diese Teile sind in Reihe geschaltet, wobei die in der Abbildung gezeigte Anordnung erhalten bleibt. Das Ergebnis ist eine Batterie aus Elementen, die in Form von drei Kreisen angeordnet sind, ähnlich einem „Marienkäfer“. Harvey erreicht ein solideres Aussehen, indem er 12 halbmondförmige Elemente verwendet, die in einer Linie angeordnet sind, wie in Abb. 9. Der Roboter ähnelt einem Insekt (Tausendfüßler oder Wurm) und scheint bei der Bewegung zu gleiten. Natürlich können Sie eine Batterie in jeder anderen Konfiguration herstellen. Sie könnten sogar die Kappen des Roboters austauschbar machen, um ihm mehr Möglichkeiten zu geben, sich auszudrücken. Es ist wichtig zu bedenken: Je niedriger der Ausgangsstrom der Solarzelle, desto länger dauert das Laden der Batterien. Wenn Sie ausreichend gute Zellen verwenden, achten Sie darauf, dass die Batterien nicht überladen werden. Hinweise finden Sie im Kapitel. 10 für eine Diskussion von Nickel-Cadmium-Batterien und ihren Eigenschaften.
Zusätzliche Roboterausrüstung Es gibt viele Möglichkeiten, den Roboter weiter zu modifizieren. Beispielsweise erhält ein Roboter ein sehr eindrucksvolles Aussehen, wenn er mit einem Paar blinkender, leuchtender „Augen“ (nicht zu verwechseln mit echten lichtempfindlichen „Augen“) ausgestattet ist. Einem Roboter kann „beigebracht“ werden, Geräusche zu machen. Es gibt eine Reihe von Mikroschaltungen zum Verkauf, die Töne in einem weiten Bereich erzeugen. Jetzt, da Harvey (oder Harriette) bereit ist, ist es Zeit für Spaß. Und Einführung in die Robotik! Autor: Byers T.
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