Платформа мобильного робота

Подвижный робот (мобильный робот) является одним из популярных роботов, которые обычно строют. Очень распространенными являются роботы сумо, спортивные роботы (футбол, волейбол и т.д.), роботы имитации спасательных работ (пожаротушение, поиск человека или предмета и т.д.) и многие другие. Для этих видов роботов существует много различных соревнований в мире и в Эстонии, были разработаны даже стандартные классы (например, роботов сумо). Общим для этих типов роботов является мобильная платформа, которая может иметь различные конструкции и возможности, но её основная функциональность осталась прежней. Этой основной функциональностью является управление двигателями и основной навигацией, которая включает в себя избегания препятствий путешествие в место назначения. Как правило, к основной функциональности добавлена специфическая функциональность, которая проектируется в соответствии с требованиями и возможностями, установленными для проекта.

Далее рассмотрим документацию одной типичной мобильной платформы проекта робота и его различных этапов.

Спроектировать и построить многофункциональную мобильную платформу робота с базовой функциональностью навигация с помощью компонентов Домашней Лаборатории. Платформа должна позволять легко менять его оперативную функциональность, снабжая его различным оборудованием:

• Манипулятор
• Радар
• Камера

Робот должен иметь возможность двигаться на плоской поверхности в помещении.

• Максимальные габариты: 20 cm x 20 cm x 20 cm
• Максимальный вес 2 kg
• Скорость движения min. 0,1 m/s
• Возможность легкого добавления дополнительного оборудования
• Полная автономия

• Должна быть построена в основном из компонентов Домашней Лаборатории
• Стоймость компонентов не должна превышать 600 €

Общая модель системы представлена в виде блок-схемы. Она описывает структуру, поведение и другие важные аспекты системы. В качестве примера ниже приведена иерархическая модель системы.

Süsteemi struktuuri mudel

Для решения этой задачи команда использовала метод мозгового штурма и сгенерировала 3 концептуально разных решения. Была составлена оценочная матрица, с помощью которой найдена самая оптимальная конструкция. Основные отличия решений заключались в схемах движения.

Ideekavandid

Упрощённая оценочная матрица выглядит следующим образом:

Hindamisskaala oli 1-10 punkti ja kaalutegur 0-1. Kaalutegurid olid valitud lähtuvalt süsteemile esitatud nõuetest ja piirangutest. Kuigi näiteks lahendus II oli oluliselt võimekam raskel maastikul liikumisel, ei olnud seda lähteülesandes nõutud ja vastava funktsionaalsuse kaalutegur oli sellest tulenevalt madal.

Hindamise tulemusena osutus antud ülesande optimaalseimaks lahenduseks variant I - ratastel liikuv kahe eraldi mootoriga platvorm. Kuna lähteülesandes oli lubatud kasutada ka olemasolevaid veermikke teostati kiire uuring ja valiti kolm olemasolevat platvormi, mida võrreldi ideelahenduse võitnud kontseptsiooniga. Võrdlus viidi läbi samadel tingimustel, kui ideelahenduste hindamine, kuid lisandus kriteerium “Lisaseadme paigalduse ruum”, kuna erinevalt ise projekteeritavatest platvormidest on olemasoleva veermiku konstruktsiooni muutmine keeruline.

Kuna üheks olulisemaks prioriteediks oli peale kodulabori komponentide kasutamise hind, siis otsustati valmislahenduse “Lintidega platvorm” kasuks. Võrdlusanalüüsidest järeldub ka, et kasutades valmisplatvormi, on mõistlikum valida lintidega platvorm. Ise valmistamise korral oleks aga lintidega platvormi valmistamiskulud liiga kõrged ja mõistlikum oleks teha ratastega platvorm.

Edasine töö jätkus valitud lahenduse edasiarendusega reaalseks süsteemiks.

Mehaanika püüti valmistada võimalikult lihtne, järgides samal ajal modulaarsuse põhimõtet. Esimene ja tagumine põrkeraud on identsed moodulid. Elektroonika osas on kasutatud kolme moodulit, mis on paigutatud üksteise peale, võimaldades nii lihtsaid ribakaabelühendusi ja tagades samal ajal moodulite suhteliselt lihtsa vahetatavuse. Mootoriteks on valitud Kodulabori komplektis olevad integreeritud reduktori ja koodriga mootorid, mis on ühendatud otse mootorite ajurplaadiga. Ratasteks on kasutatud mudellennuki rattaid, mis on väga kerged ja piisavalt tugevad antud roboti jaoks. Valmistamise lihtsuse huvides on roboti alusplaat ja pealmine plaat identsed. Plaadid on varustatud avadega, võimaldades nii pealmisele plaadile kinnitada erinevaid seadmeid. Kahe plaadi vahele mahub lisaks elektroonikamoodulitele ka aku.

Algne 3D mudel robotist ja selle komponentide omavahelistest paiknemisest

Eraldi on projekteeritud roboti põrkeraud, mis on integreeritud puute- ja joonejälgimise anduritega. Põrkerauad on valmistatud trükiplaatidest, omades lisaks konstruktsioonile ka elektriühendusi. Joonejälgimise andurid on joodetud otse põrkeraua alumisele plaadile. Puuteandurid (mikrolülitid) on paigutatud kahe põrkeraua plaadi vahele ja eestpoolt kaetud ühtse kummiribaga. Kummiriba summutab põrkejõudu ja võimaldab samal ajal täpsemalt tuvastada, mis suunalt löök tuli.

Põrkeraua plaadi tööjoonis

Süsteemi elektroonika on kirjeldatud põhimõttelahendusena ja klassikalise elektriskeemina koos trükiplaadi montaažiskeemina.

Elektroonikakomponentide plokkskeem

Näitena on toodud roboti põrkeraua joonejälgimise andurite elektriskeem ja vastava trükiplaadi (PCB) montaažiskeemiga.

Põrkeraua andurite elektriskeem

Põrkeraua montaažiskeem

Roboti juhtimine tuleneb süsteemi käitumismudelist ja on määratud lähteülesande funktsionaalsusega ning nõuete ja piirangutega. Süsteemi käitumismudelist luuakse täpsustatud juhtprogrammi algoritm, millest omakorda lähtutakse tarkvara programmikoodi koostamisel. Kõik kolm taset (käitumismudel-algoritm-lähtekood) peavad olema omavahel kooskõlas.

Algoritm kirjeldab süsteemi juhtloogikat ja on esitatud plokkdiagrammina. Lihtsama algoritmi koostamiseks piisab paarist elemendist ja nendevaheliste seoste kirjeldamisest. Kui roboti algoritm on koostatud korrektselt, siis on sellest roboti juhtprogrammi juba suhteliselt lihtne koostada. Algoritmis on kasutatud põhiliselt kahte erinevat objekti: ümardatud nurkadega ristkülik, mis tähistab mingit tegevust ja väike romb mingi tingimuse kontrollimiseks, millele järgneb vastavalt kontrolli tulemusena edasiste tegevuste käivitamine.

Algoritmis kasutatud tähiste tähendused:

Algoritmi olekudiagramm

Lihtne navigeerimine

#include <homelab/module/motors.h>
#include <homelab/pin.h>
#include <homelab/delay.h>
 
// Põrkeandurite viikude defineerimine
pin front      = PIN(C, 0);
pin frontleft  = PIN(C, 1);
pin frontright = PIN(C, 2);
 
//
// Põhiprogramm
//
int main(void)
{
	// Mootorite 0 ja 1 algseadistamine
	dcmotor_init(0);
	dcmotor_init(1);
 
	// Andurite viigud sisendiks
	pin_setup_input_with_pullup(front);
	pin_setup_input_with_pullup(frontleft);
	pin_setup_input_with_pullup(frontright);
 
	// Lõputu tsükkel
	while (true)
	{
		// Mootorite päripäeva käivitamine
		dcmotor_drive(0, 1);
		dcmotor_drive(1, 1);
 
		// Keskmise anduri signaali kontroll
		if (pin_get_value(front))
		{
			// Mootorite reverseerimine
			dcmotor_drive(0, -1);
			dcmotor_drive(1, -1);
 
			// Paus 1 sekund
			sw_delay_ms(1000);
 
			// Vasaku mootori päripäeva käivitamine 
			dcmotor_drive(0, 1);
 
			// Paus 2 sekundit
			sw_delay_ms(2000);
		}
 
		// Vasaku anduri signaali kontroll
		else if (pin_get_value(frontleft))
		{
			// Parema mootori reverseerimine
			dcmotor_drive(1, -1);
 
			// Paus 2 sekundit
			sw_delay_ms(2000);
		}
 
		// Parema anduri signaali kontroll
		else if (pin_get_value(frontright))
		{
			// Vasaku mootori reverseerimine
			dcmotor_drive(0, -1);
 
			// Paus 2 sekundit
			sw_delay_ms(2000);
		}
	}
}

Projekti raames valminud robotplatvorm on valmistatud üldjoontes plastikust, välja arvatud mootori kinnitused, mis on valmistatud alumiiniumprofiilist. Elektroonikamoodulid on paigutatud üksteise peale, aku on lahtiselt kahe plaadi vahel. Põrkerauad on valmistatud trükkplaadist ja värvitud mustaks. Roboti pealmine plaat on täiesti sile, võimaldades sinna kinnitada erinevaid soovitud seadmeid. Projekti raames paigaldati robotplatvormile lihtne radar, mis koosnes väikesest RC servomootorist ja infrapunaandurist. Teise lahendusena paigaldati platvormile intelligentne kaameramoodul masinnägemise ülesannete lahendamiseks. Mõlemad variandid on näidatud allolevatel piltidel. Kolmandaks seadmeks katsetati standardmanipulaatorit, mille lülisid juhitakse samuti standardsete RC servomootoritega, kasutades nende ajuri juhtimiseks jadaliidest.

Robot infrapuna radariga

Robot intelligentse kaameramooduliga (CMUcam3)

Majanduslik kalkulatsioon hõlmab endas komponentide maksumust ja roboti detailide valmistamise ning koostamise kulusid.

Komponentide maksumuse tabel

Hinnanguline tööjõu- ja tootmiskulu üksikeksemplari korral.

Roboti hinnanguline maksumus kokku 7845.-

Arvutatud roboti maksumus on siiski hinnanguline, kuna tegemist on õppeotstarbelise projektiga, kus enamik tööd ja koostamist on tehtud oluliselt suuremas mahus, kuid otsese rahalise tasuta. Seetõttu on töö- ja ajakulu ligikaudne ja ei kajasta tegelikku olukorda.

Mehhatroonikasüsteem (Robot) on loodud meeskonnatööna ja kindla ajakava ning eelarvega, omades seega enamuse olulisi projekti tunnuseid. Projektijuhtimise seisukohalt olid olulised tegevused: aja planeerimine, meeskonnatöö planeerimine ja juhtimine, eelarve jälgimine ja vahendite hankimine, jooksev aruandlus juhendajale, lõpptulemuse presentatsioon ja dokumenteerimine. Projekti aruandele lisatakse töögruppide koosolekute protokollid, projekti plaan (soovitavalt Gantti diagrammina), ressursijaotus (k.a. inimressurss) ja planeeritud ning tegelik eelarve. Näiteks on toodud lihtne tegevuste plaan Gantti diagrammina.

Projekti tegevusdiagramm

Majanduslik kalkulatsioon näitas meile, et roboti tootmishind on üsna kõrge, eriti kui tegemist on ainueksemplariga, kuid jäi siiski lähteülesandes etteantud piiridesse. Tootmise hinda saaks kindlasti oluliselt alandada, optimeerides komponentide ja materjalikulu ning tootes korraga suurema koguse roboteid. Projekti käigus tutvusime mehhatroonikasüsteemi projekteerimise, valmistamise ja testimisega, mis andis meile esmakordse sellelaadse kogemuse.

Töö lõpus selgus tõsiasi, et roboti korralikuks töötamiseks on vaja oluliselt rohkem aega planeerida testimisele, seda eriti tarkvara osas. Erinevad moodulid ei pruugi alati koos korrektselt töötada, kuigi eraldi katsetades oli kõik korras. See näitab, et süsteemi moodulite integreerimine on tõsine väljakutse ja selleks tuleb planeerida oluliselt rohkem aega ja ressurssi.

Kokkuvõteks arvame, et projekt oli väga huvitav ja hariv ning andis aimu integreeritud süsteemide projekteerimisest ja valmistamisest.

1. Kodulabori juhendmaterjal http://home.roboticlab.eu
2. ATmega128 andmeleht
3. Dudziak, R., Köhn, C., Sell, R., Integrated Systems & Design, TUT Press, 2008
4. Friendenthal, S., Moore, A., Steiner, A., A Practical Guide to SysML, Elsevier, 2008
5. Perens, A. Projektijuhtimine, Külim, 1999
6. Bräunl, T. Embedded Robotics, Springer-Verlag, 2003