Сигналы и данные. Разработка простейшего управляемого робота
Автоматизация производства есть процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполняемые человеком, передаются автоматическим управляющим устройствам.
Цель данной работы – построить простейшего мобильного робота, который управляется с мобильного телефона.
Скачать:
Предварительный просмотр:
Министерство образования и науки Республики Крым
МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УЧАЩЕЙСЯ МОЛОДЁЖИ «ИСКАТЕЛЬ»
Секция информатики
Сигналы и данные. Разработка простейшего управляемого робота
Работу выполнил
Рендюк Владислав,
ученик 9 класса
МБОУ Новофёдоровская школа-лицей
Руководитель:
Доненко Леонид Николаевич,
учитель физики и информатики высшей категории
Новофедоровка – 2015 г.
Оглавление
Глава 1. Сигналы и данные в робототехнике 4
Глава 2. Разработка простейшего робота 10
Список используемых источников 12
Введение
Автоматизация производства есть процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполняемые человеком, передаются автоматическим управляющим устройствам.
В настоящее время основным направлением автоматизации производства является создание таких высокоинтенсивных технологических процессов, автоматизация которых с участием людей будет неэффективной, а иногда невозможной вообще, т.к. в ряде случаев только полная автоматизация гарантирует получение очень высокой производительности и высокого качества продукции, более экономичное использование физического труда, материалов и энергии, сокращение периода времени от возникновения потребности в изделии до получении готовой продукции, возможность расширения производства без увеличения трудовых ресурсов, позволяет полностью исключить или существенно снизить отрицательное воздействие производственного процесса на человека, поскольку человек заменяется автоматами различного служебного назначения, которые могут работать в тяжелых, вредных и опасных для здоровья человека условиях.
Эти причины социального, экономического и технического характера, ставшие основными сдерживающими факторами в развитии производства и дальнейшем повышении производительности труда, а также современные достижения в создании орудий производства, вычислительной техники и электроники привели к бурному развитию робототехники – отрасли, создавшей и производящей новую разновидность автоматических машин – промышленные роботы.
Цель данной работы – построить простейшего мобильного робота, который управляется с мобильного телефона.
Глава 1. Сигналы и данные в робототехнике
Мы живем в материальном мире. Все, что нас окружает и с чем мы сталкиваемся ежедневно, относится либо к физическим телам, либо к физическим полям. Из курса физики мы знаем, что состояния абсолютного покоя не существует и физические объекты находятся в состоянии непрерывного движении и изменения, которое сопровождается обменом энергией и ее переходом из одной формы в другую.
Все виды энергообмена сопровождаются появлением сигналов, то есть, все сигналы имеют в своей основе материальную энергетическую природу. При взаимодействии сигналов с физическими телами в последних возникают определенные изменения свойств — это явление называется регистрацией сигналов. Такие изменения можно наблюдать, измерять или фиксировать иными способами — при этом возникают и регистрируются новые сигналы, то есть, образуются данные.
Данные ~ это зарегистрированные сигналы.
Данные и методы
Обратим внимание на то, что данные несут в себе информацию о событиях, произо-шедших в материальном мире, поскольку они являются регистрацией сигналов, возникших в результате этих событий. Однако данные не тождественны информа¬ции.
Наблюдая за состязаниями бегунов, мы с помощью механического секундомера регистрируем начальное и конечное положение стрелки прибора. В итоге мы заме¬ряем величину ее перемещения за время забега — это регистрация данных. Однако информацию о времени преодоления дистанции мы пока не получаем. Для того чтобы данные о перемещении стрелки дали информацию о времени забега, необходимо наличие метода пересчета одной физической величины в другую. Надо знать цену деления шкалы секундомера (или знать метод ее определения) и надо также знать, как умножается цена деления прибора на величину перемещения, то есть надо еще обладать математическим методом умножения.
Прослушивая передачу радиостанции на незнакомом языке, мы получаем данные, но не получаем информацию в связи с тем, что не владеем методом преобразова¬ния данных в известные нам понятия. Если эти данные записать на лист бумаги или на магнитную ленту, изменится форма их представления, произойдет новая регистрация и, соответственно, образуются новые данные. Такое преобразование можно использовать, чтобы все-таки извлечь информацию из данных путем под¬бора метода, адекватного их новой форме. Для обработки данных, записанных на листе бумаги, адекватным может быть метод перевода со словарем, а для обработки данных, записанных на магнитной ленте, можно пригласить переводчика, обладающего своими методами перевода, основанными на знаниях, полученных в результате обучения или предшествующего опыта.
PPM (Pulse-position modulation) - это, пожалуй, самый распространенный метод кодирования сигналов, передаваемых дистанционно. Большое распространение данный метод получил в системах радио-управления моделей самолетов и лодок. PPM используется и в обычных пультах дистанционного управления с инфракрасным передатчиком, а также в некоторых других системах связи, где отсутствуют требования серьезной помехоустойчивости.
PPM сигнал представляет собой последовательность импульсов имеющих постоянную длительность, но разнесенных друг от друга на разные промежутки времени. Именно величина этих промежутков и задает кодируемые значения. Группы импульсов объединяются в пакеты, называемые также фреймами.
Рассмотрим работу PPM на примере. Предположим, нам требуется передать 6 целых чисел в диапазоне от 0 до 1000:
250, 500, 500, 750, 250, 1000
Пусть каждое кодируемое число соответствует промежутку между импульсами в миллисекундах, плюс ширина самого импульса. Кроме того, чтобы приемник сигнала смог отделить данные двух разных фреймов, потребуется организовать между ними некоторую паузу. В итоге, для заданного набора чисел, мы получим PPM сигнал вида:
Рис. 1.1.
где
t1 = 250+50 = 300мс,
t2 = 500+50 = 550мс,
и т.д.
Общая длина пакета в данном примере составляет 6000мс.
Следует отметить, что способ отправки, сформированных таким образом, PPM фреймов может отличаться. Так, например, инфракрасный пульт управления телевизором при нажатии на кнопку, отправляет пачку (burst) одинаковых фреймов. Каждая такая пачка состоит из 4-5 фреймов, что позволяет гарантировать передачу управляющего кода несмотря на возможные помехи. В остальное время передатчик пульта молчит и экономит энергию батарей. В случае же управления авиа-моделями, фреймы отправляются непрерывно, обеспечивая тем самым постоянный контроль над летательным аппаратом.
PPM для радиоуправления
К основным органам управления любой масштабной модели или робота можно отнести рулевые машинки и ходовой двигатель. Для первых необходимо изменять угол их поворота, а для второго - скорость вращения вала.
Угол поворота сервомашинки задается с помощью метода ШИМ. Суть этого метода заключается в варьировании скважности импульсного сигнала, в результате чего вал двигателя рулевой машинки отклоняется в нужную сторону и на нужный угол. Так, импульс продолжительностью 1500 мкс, как правило, соответствует нейтральному положению двигателя. Для поворота на максимальный угол в одну сторону, потребуется уменьшить импульс до 700 мкс. Напротив, увеличив импульс до 2200 мкс, рулевая машинка повернется в обратную сторону.
Таким образом, с помощью PPM можно передавать управляющие сигналы для сервомашинок без использования сложных контроллеров и алгоритмов. Достаточно выделить из череды фреймов нужные импульсы и направить их на целевой двигатель. Пример такого распределения изображен на рисунке.
Рис. 1.2.
Продолжительность PPM фрейма составляет 20 мс. Один такой фрейм может содержать в себе до восьми каналов управления.
Одним из недостатков PPM является отсутствие проверки подлинности передаваемых данных. Другими словами, если на управляемый объект случайно попадет фрейм с искаженными данными, то последний никак не сможет его идентифицировать и будет вынужден выполнить неверную команду.
Другая проблема в PPM - погрешность передаваемой величины. С помощью этого метода кодирования, к примеру, будет сложно управлять шаговым двигателем в режиме микрошагов.
PCM кодирование
Для устранения недостатков PPM кодирования, был разработан более сложный метод, называемый импульсно-кодовой модуляцией, или PCM (Pulse-code modulation). В основе этого метода лежит преобразование аналоговых величин в цифровое представление. Кроме того, для каждого фрейма вычисляется контрольная сумма, предотвращающая прием искаженных данных управляемым объектом.
К сожалению, в отличие от PPM, данный подход не имеет стандартов. Каждый производитель аппаратуры для дистанционного управления использует свою схему фрейма. Так, например, формат фрейма Futaba PCM 1024 имеет вид:
Рис. 1.3.
Каждый такой фрейм имеет продолжительность 14.25 мс, что на четверть меньше чем у PPM. Фреймы отправляются парами. В первом, размещаются абсолютные значения для нечетных каналов и приращения для четных. В следующем, наоборот, приращения для нечетных и абсолютные значения для четных. Кроме того, как уже говорилось, каждый фрейм содержит 16-битную контрольную сумму.
Такой протокол как Futaba PCM 1024 гораздо более устойчив к помехам чем обычный PPM.
Глава 2. Разработка простейшего робота
Для сборки робота мною использован мобильный телефон и механическая игрушка с электромотором
В данном случае Автомобильчик запускается после звонка на мобильный телефон
.
Рис. 2.1.
Рис. 2.2.
В данном случае мы получили жизнеспособного робота, из простых компонентов, который прост в сборке.
Следующий мой робот будет управляться лазерным лучом.
Выводы
Развитие и растущая информатизация общества (в послевоенный период) приводит к возникновению и развитию кибернетики, как науки об общих закономерностях в управлении и связи в различных системах: искусственных, биологических, социальных. Развиваясь одновременно с развитием электронно-вычислительных машин, кибернетика со временем превращалась в более общую науку о преобразовании информации. Первую попытку определить, что такое современная информатика, сделал в 1978 г. Международный конгресс по информатике: «Понятие информатики охватывает области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки и., включая машины, оборудование, математическое обеспечение, организационные аспекты, а также комплекс промышленного, коммерческого, административного и социального воздействия».
Цель моей работы – разработка простейшего радиоуправляемого устройства достигнута.
Список используемых источников
Галка в чужих перьях
Упрямый зяблик
Зимний лес в вашем доме
За чашкой чая
Рисуем одуванчики гуашью (картина за 3 минуты)