Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών Υλοποίηση ενός τρίτροχου κινούμενου ρομπότ χρησιμοποιώντας πλατφόρμα Arduino Πτυχιακή Εργασία Επιβλέπων: Δρ. Σταύρος Βολογιαννίδης, Επιστημονικός Συνεργάτης 1

Σκοπός Πτυχιακής Εργασίας Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η σχεδίαση και υλοποίηση ενός τρίτροχου κινούμενου οχήματος ρομπότ που θα είναι σε θέση να δέχεται εντολές κίνησης από τη κεντρική μονάδα επεξεργασίας, με την χρήση της πλατφόρμας Arduino, το οποίο με την βοήθεια αισθητήρων απόστασης να μπορεί να εκπληρώνει αυτόνομα διάφορες λειτουργίες. Κάποιες από αυτές θα είναι: Να αποφεύγει τυχόν εμπόδια με την χρήση του αισθητήρα απόστασης. Να ακολουθεί το χέρι ή οτιδήποτε άλλο αντικείμενο αφού αυτό θα κινείτε στο χώρο κρατώντας σταθερή απόσταση. Θα υλοποιηθεί software το οποίο ασύρματα με την χρήση Bluetooth θα μπορεί να παίρνει σε πραγματικό χρόνο τις μετρήσεις από τον ελεγκτή του οχήματος Αrduino, και να τις ζωγραφίζει σε πραγματικό χρόνο. Και επιπλέον ο χρήστης να μπορεί να τηλεκατευθύνει το όχημα από το συγκεκριμένο software στο υπολογιστή με χρήση του keyboard και μέσω Android.

Arduino Πλεονεκτήματα πλατφόρμας Arduino: Το Arduino είναι μια υπολογιστική πλατφόρμα ελεύθερου λογισμικού βασισμένη σε μια απλή μητρική πλακέτα με ενσωματωμένο μικροελεγκτή και εισόδους/εξόδους. Αποτελείται από ένα μικροελεγκτή Atmel AVR και με συμπληρωματικά εξαρτήματα για την διευκόλυνση του χρήστη στον προγραμματισμό και την ενσωμάτωση του σε άλλα κυκλώματα. Στην αγορά, προγραμματίζονται μέσω USB, εφαρμόζοντας ένα τσίπ προσαρμογέα USB-to-serial. Πλεονεκτήματα πλατφόρμας Arduino: Οικονομική Μεταφέρσιμη Επεκτάσιμη

Arduino Uno

PING Ultrasonic Distance Sensor Aνιχνεύει τα κοντινά αντικείμενα μεταξύ 2 cm και 3 m. Εκπέμπει σήματα υπερήχων. Παράγει ένα παλμό προς το pin εισόδου/εξόδου του μικροελεγκτή και ανάλογα με το χρόνο που κάνουν τα κύματα να επιστρέψουν πίσω στον αισθητήρα (στην περίπτωση που βρεί κάποιο εμπόδιο), υπολογίζεται η απόσταση που βρίσκεται το εμπόδιο. Πρόβλημα ανάγνωσης απόστασης Η αποσταση μεγαλύτερη από 3m To εμπόδιο να βρίσκεται σε γωνία θ Το εμποδιο να είναι πολύ μικρό Χαρακτηριστικά του αισθητήρα PING 3-pins Εύρος απόστασης 2 cm έως 3 m Κατανάλωση ενέργειας 25 mA Τάση τροφοδοσίας 5V DC Επικοινωνία Θετικό ΤΤL παλμό Εύρος θερμοκρασίας 0 έως 70˚C Εκπέμπει 40 kHz

Ασύρματη επικοινωνία Bluetooth Modem: Χαρακτηριστικά: Για να πετύχουμε ασύρματη επικοινωνία μεταξύ Arduino με υπολογιστή χρησιμοποιήθηκαν συσκευές Bluetooth. Χαρακτηριστικά: Τροφοδοτείται από 3.3V μέχρι 6V Κρυπτογραφημένη σύνδεση Συχνότητα 2,4GHz ~ 2,524 Σειριακή επικοινωνία από 2400-115200bps Ενσωματωμένη κεραία Θερμοκρασία λειτουργίας -40~ +70˚C

Ολοκληρωμένο Κύκλωμα L293D Τo L293D είναι ένα 16pins chip και είναι μονολιθικό ολοκληρωμένο κύκλωμα. Είναι σχεδιασμένο για να ελέγχει 2 DC κινητήρες, αυτό γίνεται με τα 2 INPUT και 2 OUTPUT pins για τον κάθε κινητήρα. Χαρακτηριστικά: Αριθμός των pins 16 Τάση λειτουργίας 4.5V έως 36V Μέγιστο ρεύμα ανά κανάλι 600mA Input signals (Vi) 7V Enable Voltage(Ven) 7V Interface TTL/CMOS Θερμοκρασία λειτουργίας -40~150˚C 7

Λειτουργία των DC κινητήρων Kάθε κινητήρας συνεχούς ρεύματος έχει δύο τερματικά. Όταν εφαρμόζεται ρεύμα με κατάλληλη τάση στον κινητήρα, περιστρέφεται σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, αλλά όταν θα αντιστρέφεται η τάση μεταξύ των δύο τερματικών, ο κινητήρας περιστρέφεται με αντίθετη κατεύθυνση.

PID Controller Για να οδηγήσουμε την είσοδο προς την επιθυμητή τιμή χρησιμοποιούμε τιε 3 παραμέτρους: Του αναλογικού P – Proportional Του ολοκληρωτικού Ι – Integral Του διαφορικού D - Derivative  

Χαρακτηριστικά Ένας Αναλογικός ελεγκτής (Kp) έχει ως αποτέλεσμα την ελάττωση του χρόνου ανύψωσης και μείωσης αλλά ποτέ δεν μπορεί να εξαλείψει το μόνιμο σφάλμα. Ο Ολοκληρωτικός όρος (Ki) θα εξαλείψει το μόνιμο σφάλμα αλλά ως αποτέλεσμα να χειροτερέψει την μεταβλητή απόκριση (δηλαδή τον αριθμό των ταλαντώσεων μέχρι την τελική ισορροπία του συστήματος). Ο Διαφορικός όρος (Kd) έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της σταθερότητας του συστήματος, μειώνοντας την υπερύψωση και βελτιώνοντας την μεταβλητή απόκριση. Σημειώνεται ότι ο διαφορικός όρος είναι ευαίσθητος στην ύπαρξη θορύβου στα σήματα.

Κατασκευή 2

Κατασκευή 1

Συνοπτικά Αφού ολοκληρώθηκαν οι κατασκευές χρησιμοποιώντας όλα τα παραπάνω εξαρτήματα. Έγινε έρευνα στο διαδίκτυο σχετικά με διάφορα παραδείγματα και πειράματα. Χρησιμοποιήθηκαν διάφορες βιβλιοθήκες και στοιχεία τα οποία αντλήθηκαν για την υλοποίηση των παρακάτω πειραμάτων.

Τηλεκατευθυνόμενο Ελεγχόμενο μέσω Android: Εγκαταστήσαμε στο κινητό τηλέφωνο μια εφαρμογή. Ο χρήστης πατώντας τα διάφορα βελάκια μπορεί να τηλεκατευθύνει το ρομπότ αντίστοιχα. Πατώντας τα πλήκτρα A B C D που βρίσκονται στην εφαρμογή μπορεί να δώσει μέσω του PWM τα νούμερα 150, 185, 220, 255 στους τροχούς αντίστοιχα ώστε να αλλάξουμε την ταχύτητα. Ελεγχόμενο μέσω πληκτρολογίου: Έχουμε ορίσει μερικά από τα πλήκτρα του πληκτρολογίου για να εκτελεί διάφορες κινήσεις των κινητήρων του ρομπότ. Εμπρός = “i” Επιτάχυνση ταχύτητας = “ . “ Πίσω = “m” Ελάττωση ταχύτητας = “ , “ Αριστερά = “j” Μέγιστη ταχύτητα = “/” Δεξιά = “k”

Αποφυγή εμποδίων Καθώς κινείται στο χώρο παίρνει μετρήσεις με τον αισθητήρα σε τακτά χρονικά διαστήματα. Προχωράει ευθεία έως ότου βρεί κάποιο εμπόδιο στο δρόμο του. Όταν βρεί εμπόδιο σταματάει, πηγαίνει λίγο πίσω και ελέγχει δεξιά και αριστερά συγκρίνοντας αυτές τις δυο τιμές και όποια είναι μεγαλύτερη το ρομπότ θα στρίβει στην ανάλογη κατεύθυνση.

Ακολουθώντας ένα αντικείμενο Ο χρήστης μπορεί να κρατάει κάποιο αντικείμενο και να το μετακινεί όπως αυτός επιθυμεί. Παίρνει τις μετρήσεις μέσω του αισθητήρα απόστασης : Ανάλογα με το που βρίσκεται το αντικείμενο, γίνεται έλεγχος ώστε να δοθεί η απαραίτητη ταχύτητα στους τροχούς Ακολουθεί το αντικείμενο και σταματάει μόλις αυτό παραμείνει σταθερό στην επιθυμητή απόσταση.

Έλεγχος σταθερής απόστασης με PID Το ρομπότ θα κρατάει σταθερή απόσταση από αντικείμενο ίσο με το Set point που έχει οριστεί που είναι ίσο με 20cm. Ο ελεγκτής θα παίρνει ως είσοδο Input την απόσταση από τον αισθητήρα απόστασης και μέσω του προγράμματος θα δίνει την ανάλογη έξοδo Output στους τροχούς. Το ρομπότ να αναπτύσσει την ανάλογη ταχύτητα έως ότου να φτάσει στην επιθυμητή απόσταση του Set point. Για την οπτικοποίηση των αποτελεσμάτων του πειράματος χρησιμοποιήθηκε μέρος της Πτυχιακής εργασίας των συμφοιτητών μας: Μανώλης Παλούκας και Μαριάννα Κασσιτερίδου.