ИК-маяк для экспериментов с автономными мобильными роботами

Vishay ТSOP4838

Басков М.П., Левашов О.Д.
Москва – Брешия (Италия)

Аннотация

В ходе экспериментов по исследованию поведенческих алгоритмов нам потребовались несколько маяков, установленных в реперных точках помещения. Каждый маяк должен генерировать уникальный код, позволяющий его идентифицировать. Естественно, конструкция такого маяка должна быть несложной, электронная схема – простой, а экономичность – максимально высокой.

В статье приводятся принципиальные схемы маяка и модуля установленного на автономном мобильном роботе.

Для тестирования ориентации по маякам использовалась платформа на гусеничном ходу с размерами 20 см × 10 см под управлением микроконтроллера «Iskra JS».

Реализация

Для соблюдения условия экономичности маяк должен работать в диалоговом режиме с роботом, т.е. генерировать сигнал только по запросу от робота.

Требование простоты тиражирования конструкции маяка достигается использованием в качестве генератора уникального кода пульта дистанционного управления, далее ПДУ.

Маяк содержит приемник сигнала запроса, электронную схему имитатора нажатия кнопки и ПДУ, объединённые в одно конструктивное целое. Внешний вид маяка показан на Рисунке 1.1.

(1) - Маяк, (2) - приемопередатчик робота, (3) - объективы 10 градусов.
Рисунок 1. (1) – Маяк, (2) – приемопередатчик робота, (3) – объективы 10 градусов.

Корпус устройства выполнен из двустороннего фольгированного стеклотекстолита, обеспечивающего надежное оптическое экранирование. Кнопки пульта доступны для тактильного нажатия, что позволяет с его помощью при необходимости управлять некоторыми функциями робота.

Принципиальная схема маяка.
Рисунок 2. Принципиальная схема маяка.

Принципиальная схема электронной части маяка изображена на Рисунке 2.

Питание маяка осуществляется от батареи пульта.

Схема работает следующим образом. Отрицательные импульс с выхода фотоприемника DD1 проходит через RC-фильтр на элементах R2 и С2, отсекающий помехи с длительностью менее 15 мс, и опрокидывает RS-триггер на элементах DD2.2 и DD2.3. Положительный перепад с выхода DD2.2 запускает формирователь импульса на элементах R4, C4 и DD2.3, обеспечивающий возврат RS-триггера в исходное состояние через 200 мс. Информационный вход RS-триггера на это время блокируется через диод VD1 низким потенциалом с выхода DD2.3.

Отрицательный перепад на выходе DD2.3 запускает формирователь импульса на элементах R3, C3 и DD2.1. Положительный импульс длительностью 20 мс с выхода DD2.1 поступает на вход электронного ключа DD3.1, имитирующего нажатие кнопки пульта.

Для наладки необходимо подать отрицательные импульсы частотой 1–5 Гц длительностью 1–25 мс в точку «а», не отключая фотоприемник. Включив вместо резистора R2 переменный резистор 100 кОм, подбираем его значение таким образом, чтобы импульсы длительностью менее 15 мс не вызывали срабатывания RS-триггера.

Длительность входного импульса может быть в пределах 15–25 мс, однако ее увеличение более 25–30 мс приведет к неустойчивой работе схемы. В нашем случае длительность управляющих импульсов составляет 20 мс.

Приемник идентификатора маяка и передатчик управляющего сигнала представляют собой единую конструкцию, установленную на поворотной платформе робота. Внешний вид показан на Рисунке 1.2.

Принципиальные схемы приемника идентификатора маяка (а) и передатчика управляющего сигнала (б).
Рисунок 3. Принципиальные схемы приемника идентификатора маяка (а) и передатчика
управляющего сигнала (б).

Электронная схема этого модуля, показана на Рисунке 3 и содержит два функциональных модуля:

  • собственно фотоприемник, снабженный узконаправленной оптикой и
  • формирователь управляющего сигнала для маяка, представляющий собой генератор частоты 38 кГц, управляемый микроконтроллером.

Ввиду простоты схемы, комментарии не требуются.

Чем уже «угол зрения» объектива, и чем мельче шаг сканирования окружающего пространства, тем точнее определение направления на маяк.

Мы использовали десятиградусное сканирование, десятиградусный объектив с AliExpress, изображенный на Рисунке 1.3, снабженный трубкой – коллиматором, уменьшающей паразитную засветку. Трубка имеет черную матовую внутреннюю поверхность для эффективного подавления бликов. Объектив следует слегка доработать, чтобы линза фотоприемника ТSOP4838 находилась примерно на 1.5 мм ближе к линзе объектива, чем точка фокуса. Металлический экран с фотоприемника нужно снять. Важнейшим условием работoспособности является исключение оптической связи между светодиодом VD1 и фотоприёмником DD1.

Рассмотрим работу системы ориентации по маяку на конкретном примере, когда робот должен изменить движение в направлении на маяк.

Микроконтроллер в цикле пошагово управляет поворотом сканера. После очередного шага и небольшой паузы, необходимой для успокоения механических колебаний, микроконтроллер подает на вход формирователя управляющего сигнала (Рисунок 3б) отрицательный импульс длительностью 20 мс. Светодиод VD1 излучает пачку световых импульсов частотой 38 кГц длительностью 20 мс.

Если по вектору излучения расположен маяк, он отвечает на управляющий сигнал излучением своего идентификатора, который принимается фотоприемником DD1 и анализируется средствами программного обеспечения микроконтроллера. Большинство распространенных микроконтроллеров имеет библиотеки для обработки сигналов ПДУ, так что дешифрация идентификатора не представляет проблемы.

Предположим, что микроконтроллер принял идентификатор маяка, к которому по условиям эксперимента должен направиться робот. Для этого робот должен изменить направление движения.

Здесь мы встречаемся с проблемой поворота робота на заданный угол. Использование магнитометра как датчика положения в помещениях затруднено из-за наличия внешних электромагнитных полей. Практически единственным средством остается проверенный в любительском роботостроении способ контроля угла поворота по силе и/или длительности управляющего воздействия на привод. Недостатком такого метода управления является зависимость параметров управляющего воздействия от характера покрытия поверхности, по которой перемещается робот.

Мы рекомендуем любые эксперименты, связанные с выполнением роботом сложных заданий, таких как ориентация по маякам, прохождение лабиринта или поиска выхода из «проблемной клетки1)», выполнять в помещениях с однородным покрытием пола. Программу управления приводом желательно дополнить модулем коррекции параметров по ИК или радио каналу для оперативной калибровки в соответствии с характером покрытия.

В заключение остановимся на одной неочевидной ситуации ориентации по маякам.

Если робот находится в ближней зоне маяка (менее 1 м), и справа по вектору движения имеется стена, то возможна ситуация, когда отраженный от стены сигнал создаст ложную цель. В процессе сканирования справа налево робот находит ложную цель первой и совершает ошибочный поворот вправо, вместо продолжения движения к маяку.

Следует отметить, что при расположении стены слева такая ситуация не возникает, так как робот находит истинную цель первой и прекращает сканирование.

В видеоприложении к статье приводится нарезка коротких фрагментов, иллюстрирующих материал статьи. В демонстрационных целях каждая итерация ориентации на маяк инициируется вручную. На видео хорошо видно, что угол сканирования ограничен 180 градусами. Для расширения функционала желательно использовать сервопривод, имеющий угол поворота 360 градусов.

Заключение

В статье приводится способ ориентации автономного мобильного робота по ИК-маякам и конкретные электронные схемы, отличающиеся простотой и экономичностью.


1) «Проблемная клетка» – термин, введенный основателем бихевиоризма Эдвардом Ли Торндайком и означает пространство с множеством препятствий, из которого животное должно найти выход, действуя методом «проб и ошибок».


Пояснение для YouTube:

Эксперименты по исследованию поведенческих алгоритмов автономного мобильного робота, ориентирующегося по ИК-маякам.

Иллюстрация работы автономного мобильного робота​

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments CD4016B
  2. Datasheet Texas Instruments CD4093B
  3. Datasheet Vishay TSOP48xx
  4. Datasheet DEC 1N60P
  5. Datasheet ON Semiconductor BC516
  6. Datasheet Iskra JS

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя