Робот на солнечных элементах. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Детство оставляет след в каждом из нас независимо от возраста; оно чаще всего ассоциируется с любовью к игрушкам.

По-видимому, любовь к таким игрушкам, как роботы, завладела нами позднее под влиянием всеобщего интереса к исследованию космоса, однако, чем больше причин побуждает нас увлекаться роботами, тем лучше. В этой главе предоставляется возможность встретиться с маленьким обаятельным роботом-другом по имени Харви. Игра с ним доставляет массу удовольствий, но не менее интересно сделать его самому.

Хотя большинство роботов обладают широкими возможностями, Харви в этом смысле менее выдающийся. Он прямодушный индивидуум, имеющий одну цель: следовать вдоль белой линии. Фактически он будет без устали идти по намеченному пути вокруг земного шара и вернется обратно. Кроме того, он "питается" от солнца.

Управление роботом

Любой робот должен обладать подвижностью, т. е. передвигаться с места на место, а также навигационными способностями в процессе движения.

Эти два различных, но взаимосвязанных требования выполняются с помощью двух отдельных устройств. Первое управляет механическим перемещением робота. Для этого используются сервомеханизмы.

Сервопривод - это механическая часть робота, аналогичная мышцам человека. Для Харви требуются две сервосистемы: одна - для движения вперед (подобно двигателю автомашины), другая - для управления движением.

Совместную работу этих двух систем не всегда просто обеспечить. Проблема решается двумя способами. В первом из них обе функции объединены в одну. Обратимся для объяснения к рис. 1.

Рис.

Система активного управления движением

Чтобы передвигать тележку (робот Харви), проще всего насадить ведущие колеса на ось и вращать ее. Предназначенные для этого устройства изобретены давно, к ним относятся цепные, клиноременные и шестереночные передачи, прямой привод (от мотора). При вращении обоих колес с одинаковой скоростью робот будет двигаться вперед по прямой линии (естественно, если оба колеса одинакового диаметра). Скорость передвижения робота пропорциональна скорости вращения колес.

Рассмотрим случай, когда скорости вращения колес неодинаковы. Этого можно достичь, разделив ось пополам и снабдив каждое колесо отдельным приводом. Как и прежде, робот перемещается по прямой, если оба колеса вращаются с одинаковой скоростью.

Если скорость вращения одного колеса, например левого, уменьшится, тележка повернет налево. Почему? Вся причина заключается в том, что колесо, вращающееся с меньшей скоростью, фактически образует точку опоры (пусть даже и перемещающуюся), вокруг которой движется другое колесо с большей скоростью вращения. Практически если полностью остановить левое колесо, то тележка будет описывать на месте небольшой круг радиусом, равным расстоянию между колесами.

Подобным же образом замедленное вращение правого колеса относительно левого приводит к повороту робота направо. Фактически здесь объединяются функции двух механизмов в одном. Раздельное изменение скорости вращения колес обеспечивает не только передвижение тележки, но и управление направлением движения.

Во многих роботах чаще всего используется кратковременное отключение вращения то одного, то другого колеса и тем самым достигается необходимое управление движением. Такому принципу движения сопутствует небольшая тряска, однако, если время, в течение которого колесо не вращается, достаточно мало, рывки сглаживаются и движение становится относительно плавным

Пассивное управление движением

Во втором методе функции передвижения и управления разделены. Для обеспечения прямолинейного движения имеется одна фиксированная ось, а для изменения направления используется переднее поворотное рулевое колесо (или пара колес). На этом принципе основано управление автомобилем.

Рис.2

Когда поворотное колесо располагается параллельно ведущим колесам, робот передвигается точно вперед (рис. 2). Поверните колесо влево - и он повернет налево, поверните вправо - робот повернет направо, совсем как автомобиль.

Преимуществом данного метода является наличие плавного управления. Робот может поворачиваться постепенно или сразу, при этом задние колеса никогда не должны останавливаться.

По причинам, которые станут понятными позднее, этот метод и был выбран для управления роботом Харви. В этом случае рулевое колесо приводится в движение небольшим электромотором.

Электронное управление

Мы пришли к следующему этапу создания робота - следящей управляющей системе. Без определенной доли смышленности Харви просто беспорядочно "рыскал" бы из стороны в сторону. Чаще всего управление мотором - дело электроники.

Чтобы "видеть" белую линию Харви, необходимы "глаза". Глаза Харви - пара фототранзисторов Q1 и Q2, показанные на рис. 3. Фототранзистор - это обычный транзистор, у которого верхняя часть корпуса удалена, а база освещается светом. Свет обычно фокусируется на p-n-переходе с помощью линзы, которая одновременно служит крышкой для корпуса транзистора.

Рис.3 (нажмите для увеличения)

Когда свет падает на базовую область, через транзистор течет коллекторный ток, пропорциональный интенсивности света Другими словами, сигнал, обычно поступающий на вывод базы, генерируется теперь падающим светом. В большинстве случаев, к которым относится и наш, фототранзистор имеет лишь два вывода, а вывод базы отсутствует.

Фототранзисторы подключены к операционным усилителям (ОУ) по схеме преобразователя ток-напряжение. Как известно из основ электроники, операционный усилитель является усилителем тока.

Выходное напряжение усилителя зависит от тока, протекающего через инвертирующий вход При обычной схеме включения выходной сигнал подается обратно на инвертирующий вход, на котором происходит суммирование сигнала. При равенстве тока обратной связи и входного тока усилитель находится в состоянии равновесия. Если в цепь обратной связи включить резистор (R2 на рис. 3), падение напряжения на этом резисторе будет пропорционально протекающему через него току. Это напряжение, кроме того, пропорционально входному сигналу и снимается с вывода на выходе ОУ

К тому же ОУ имеет еще одну интересную особенность, которой мы воспользовались. Имеется в виду наличие дифференциальных входов. Особенность их состоит в том, что сигнал, поданный на неинвертирующий дифференциальный вход, фактически будет вычитаться из сигнала на инвертирующем дифференциальном входе. Происходит что-то вроде уравновешивания.

Когда входные токи на выводах 2 и 3 равны, они взаимно уничтожаются и для балансировки схемы тока обратной связи не требуется. Следовательно, падение напряжения на резисторе R2 равно нулю даже при наличии сигнала.

Величины входных токов определяются коллекторными токами фототранзисторов Q1 и Q2. При равной облученности транзисторов светом текут равные токи. Поскольку невозможно подобрать пару транзисторов с идеально совпадающими характеристиками, то для устранения небольшого различия между обоими "глазами" Харви в схеме используется переменный резистор VR1.

Фототранзисторы размещаются на небольшой панели, подобной показанной на рис. 4, и разделяются перегородкой, на которой расположен мощный инфракрасный светодиод СД1 Поскольку фототранзисторы отгорожены от этого источника света, его излучение непосредственно на них не попадает.

Если же приблизить устройство к отражающей поверхности, все изменится. Свет отражается от поверхности и детектируется фототранзисторами. Количество попадающего на фототранзисторы света зависит от оптических свойств отражающей поверхности. Подобный принцип лежит в основе зрения Харви.

От зеркальной светлой поверхности отразится больше света, чем от темной Наибольшей отражающей способностью обладает поверхность белого цвета, отражающая способность всех остальных цветов уменьшается в зависимости от их коэффициента поглощения. Поверхность черного цвета отражает меньше всего света.

Рис.4

Проанализировать принцип действия Харви можно с помощью белой линии на темном фоне.

Для начала поместим робот точно над белой линией, так чтобы фотодатчики одинаково реагировали на ИК-излучение. Тогда на выходе схемы IC1 напряжения не будет. Если сдвинуть робот влево или вправо, соответствующий фототранзистор сместится с белой линии и, следовательно получит меньше света по сравнению с другим. На выходе операционного усилителя появится напряжение той или иной полярности.

Теперь у нас имеется сигнал, соответствующий положению робота относительно белой линии при его движении по этому "шоссе".

Выходное напряжение операционного усилителя подается на два компаратора, IC2 и IC3, включенные по схеме двухпорогового устройства При таком включении на обоих выходах - низкий потенциал, если входное напряжение лежит в определенных пределах, установленных делителем на резисторах R4, R5 и R6.

Если выходное напряжение ОУ становится меньше нижнего предела установленного диапазона, компаратор на микросхеме IC3 срабатывает и на его выходе устанавливается высокий потенциал. Базовым током открывается транзистор Q4 и подсоединяет рулевой мотор к отрицательному выводу (-3 В) источника питания. Мотор в свою очередь, изменяя угол поворота рулевого колеса, устраняет смещение светоприемной поверхности фототранзисторов относительно белой линии.

То же самое происходит, когда напряжение на выходе ОУ превышает верхний предел. Срабатывает компаратор на микросхеме IC2 и включает транзистор Q3. Теперь рулевой мотор подключается к положительному выводу (+3В) источника питания и вращается в противоположном направлении, еще раз компенсируя отклонение от курса. Если выходное напряжение ОУ равно нулю, оба транзистора, Q3 и Q4, закрыты.

Изготовление робота Харви

Теперь, закончив знакомство с основными системами робота, мы подошли к давно уже ожидаемому этапу конструирования вашего собственного робота Харви. Создание робота потребует несколько больше усилий, чем большинство самоделок, описанных в этой книге, особенно если использовать различные подручные материалы. Должен признаться, что я существенно упростил дело.

Я зашел в ближайший магазин радиодеталей в первый день Нового года и купил (это лучше, чем делать его самому) игрушечный телеуправляемый автомобиль, имеющий уже все готовые механические узлы. Я выбрал неисправный, возвращенный в магазин после праздников автомобиль, который собирались выбросить. В игрушке отсутствовал блок передатчика, но все моторы и механизм управления движением были исправны и находились в рабочем состоянии. Прежде всего покупка сэкономила много времени и денег.

Теперь, когда моя совесть чиста и я сознался, каким образом мне удалось ускорить работу над созданием робота, давайте продолжим. Сначала выньте все лишнее из автомобиля. Необходимо оставить только шасси с колесами, мотор ведущих колес и устройство рулевого управления со своим мотором. В автомобиле обычно имеется отсек для батареек. Если автомобиль телеуправляемый, сохраните приемник и передатчик для ваших будущих самодельных устройств.

Первым делом установите снизу и в передней части шасси автомобиля панель с фототранзисторами и светодиодом. Из куска толстого темного пластика я вырезал панель, форма которой показана на рис. 4.

При желании можно установить фототранзисторы и светодиод непосредственно на шасси автомобиля, при этом должен быть обеспечен достаточный зазор межу самой нижней точкой шасси и препятствиями, которые могут встретиться на пути. Кроме того, имейте в виду, что, чем больше вы выдвинете фотоприемное устройство вперед, тем более чувствительным оно будет к небольшим изменениям дорожных условий (к смещению относительно белой линии). Если вы хотите выбрать компромиссный вариант между быстротой реакции робота и плавностью его хода, установите фототранзисторы ближе к ведущим колесам.

Рис.5

Рис.6

Не забудьте отгородить фототранзисторы от светодиода. В качестве заслонки можно использовать небольшой кусочек непрозрачного пластика или бумаги.

Следующий шаг заключается в сборке управляющей схемы. Как и в случае большинства устройств, описанных в этой книге, она собрана с применением печатной платы, схема которой приведена на рис. 5, а размещение деталей - на рис. 6.

Проверьте надежность подключения всех источников питания. Не пожалейте на это времени, иначе робот будет работать неустойчиво. Моторы ведущих колес и рулевого управления защищены RC-цепочками (R9, С8 и R10, С9 соответственно).

После монтажа радиодеталей на плате вставьте ее на место платы приемника радиоуправления. При окончательной сборке закрепите проводники фототранзисторов как можно дальше от соединительных проводников, идущих к моторам. Микросхема IC1 обладает весьма высоким коэффициентом усиления и легко может усиливать сигналы помех. Если возникнет необходимость борьбы с шумами, используйте для присоединения фототранзисторов экранированный провод.

В батарейном отсеке имеется достаточно места для батареек, питающих Харви электроэнергией, но их включение необходимо изменить в соответствии с приведенной схемой, сделав отвод от точки соединения двух батареек. Используйте выключатель, имеющийся в электрической схеме игрушечного автомобиля.

Для работы робота требуется комплект батареек с общим напряжением 9 В. Поэтому свободное место в батарейном отсеке можно использовать для размещения других компонентов схемы, часть которых рассмотрена ниже.

Проверка работоспособности Харви

Удостоверившись в правильности монтажа, можно приступить к первой проверке работоспособности робота. При выключенном тумблере питания поместите четыре никель-кадмиевые аккумуляторные батарейки в отсек питания. После включения тумблера робот должен двигаться вперед и поворачиваться.

Тщательно проверьте характер движения робота. Рулевое управление можно испытать, освещая фонариком то один фототранзистор, то другой. Если направление вращения какого-либо мотора неправильное, поменяйте полярность подключения его выводов.

Теперь проверьте работу робота Харви на окружности, описываемой белой полосой, проведенной лучше всего на черном фоне. Радиус окружности не должен быть меньше радиуса поворота рулевого колеса.

Поместив Харви на трековую полосу, включите питание и проследите за движением робота.

Источник электроэнергии

В конструкции робота Харви применены по существу две оптоэлектронные системы, различающиеся по принципу работы. С одной из них ("зрением" робота) мы уже имели дело; ее работа обеспечивается светочувствительными элементами (фототранзисторами), которые управляют током рулевого мотора.

Рис.7

Другая оптоэлектронная система робота представляет собой солнечную батарею, поддерживающую аккумуляторы в заряженном состоянии. Трудно поверить, но Харви "питается" весьма малым количеством электроэнергии. Фактически полностью заряженного комплекта аккумуляторных батарей хватит для обеспечения автономной работы в течение примерно 1 ч. После этого для возобновления работы робота его необходимо осветить. Если же Харви находится на солнце, он подзарядится во время движения.

Рис.8

Рис.9

Чтобы удовлетворить его потребности, необходимо всего 12 солнечных элементов. Хотя можно использовать любые элементы, генерирующие ток 80 мА или более, я нашел два наиболее подходящих типоразмера.

Батарея из элементов первого типоразмера, показанных на рис. 8, изготовлена из трех круглых элементов, разделенных на четыре части; эти части соединены последовательно с сохранением расположения, показанного на рисунке. В результате получается батарея из элементов, расположенных в виде трех кружочков, похожих на "божью коровку".

Более солидный вид у Харви получается при использовании 12 серповидных элементов, расположенных в линию так, как показано на рис. 9. Робот становится похожим на насекомое (многоножку или червяка) и как бы скользит при движении.

Конечно, вы можете изготовить батарею любой другой конфигурации. Можно даже сделать сменные крышки робота, обеспечив ему возможность более разнообразно выразить себя.

Необходимо помнить: чем меньше выходной ток солнечного элемента, тем дольше будут заряжаться аккумуляторы. Если же вы используете достаточно хорошие элементы, смотрите, чтобы не перезарядились аккумуляторы. Обратитесь за советами к гл. 10, где обсуждаются никель-кадмиевые аккумуляторные батареи и их характеристики.

Дополнительное оборудование робота

Имеется множество путей дальнейшей модификации робота. Например, робот приобретает весьма эффектный вид, если его снабдить парой мигающих светящихся "глаз" (не путайте с настоящими фоточувствительными "глазами"). Робота можно "научить" издавать звуки. В продаже имеется ряд микросхем, генерирующих звуки в широком диапазоне.

Теперь, когда Харви (или Гарриетта) готов, начинается пора развлечений. И знакомства с робототехникой!

Автор: Байерс Т.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Ранняя Вселенная не была ледяной 28.11.2025

Понимание того, как формировались первые структуры во Вселенной, требует взгляда в эпохи, в которых не существовало ни звезд, ни галактик, ни привычных нам источников света. Научные группы по всему миру пытаются восстановить картину тех времен при помощи слабейших радиосигналов, оставшихся от водорода, который наполнял космос вскоре после Большого взрыва. Новые результаты, полученные на радиотелескопе Murchison Widefield Array в Австралии, неожиданным образом меняют представление об этих ранних этапах. Сразу после Большого взрыва, произошедшего около 13,8 миллиарда лет назад, пространство стремительно расширялось и остывало. Через несколько сотен тысяч лет образовался нейтральный водород, и началась так называемая эпоха тьмы, когда Вселенная была лишена источников излучения. Лишь значительно позже гравитация собрала газ в плотные области, где зародились первые звезды и ранние черные дыры, а их интенсивное излучение привело к реионизации водорода и окончательному появлению света. ...>>

Устройство идеальной очистки воздуха 28.11.2025

Качество воздуха в закрытых помещениях давно стало важнейшим фактором здоровья, особенно в городах, где люди проводят подавляющую часть времени внутри зданий. В последние годы исследователи уделяют все больше внимания именно тем технологиям, которые способны задерживать или разрушать вредоносные частицы до того, как они попадут в дыхательные пути человека. Одним из таких новаторских направлений стала разработка инженеров Университета Британской Колумбии в Оканагане, которые предложили принципиально иной подход к очистке воздуха в присутствии людей. По словам профессора Школы инженерии доктора Санни Ли, традиционные персонализированные вентиляционные системы действительно могут улучшать качество воздуха вокруг пользователя, однако их принцип работы имеет ряд ограничений. Человек вынужден находиться в строго определенной зоне, а одновременное использование одной системы несколькими людьми снижает эффективность. Кроме того, непрерывный поток сухого очищенного воздуха способен вызывать ...>>

Ощущение текстуры через экран гаджета 27.11.2025

Гаджеты научились передавать изображение и звук с впечатляющей реалистичностью, но тактильные ощущения по-прежнему остаются недоступными для полноценной цифровой симуляции. Именно поэтому инженеры и исследователи во всем мире стремятся создать технологии, которые позволят "почувствовать" виртуальный объект так же естественно, как и настоящий. Новая разработка специалистов Северо-Западного университета США стала одним из самых заметных шагов в этом направлении. Возглавлявшая исследование аспирантка Сильвия Тан (Sylvia Tan) подчеркивает, что прикосновение остается последним фундаментальным чувственным каналом, для которого пока нет зрелого цифрового аналога. По ее словам, если визуальные и звуковые интерфейсы давно обеспечивают высокую степень реалистичности, то осязание лишь начинает приближаться к этому уровню. В недавней публикации в журнале Science Advances Тан отмечает, что новая технология способна изменить само представление о взаимодействии человека с устройствами. Разработ ...>>

Случайная новость из Архива Магнит превращает материал из мягкого в твердый 07.12.2018 Разработан метаматериал, ведущий себя совершенно не так, как природные материалы, из которого могут быть созданы роботы или спортивные шлемы нового поколения. Метаматериал представляет собой сеть пластиковых трубок, заполненных жидкостью, которая становится более вязкой в магнитном поле, в результате чего трубки уплотняются. Кристофер Спадаччини, инженер по материалам в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии, и его коллеги напечатали на 3-D принтере решетки, состоящие из пластиковых стоек длиной 5 миллиметров, и ввели в них смесь мелких частиц железа и масла. В отсутствие магнитного поля железные микрочастицы оставались беспорядочно разбросанными по всему маслу. Но под воздействием магнита эти железные микрочастицы выстраивались в цепочки вдоль силовых линий магнитного поля, делая жидкость более вязкой, а решетки более жесткими. Твердый кусок материала, наполненного железными микрочастицами, был бы тяжелым и дорогим в изготовлении. По словам соавтора Джулии Джексон, инженера из Ливеморской лаборатории, создание трубчатых конструкций делает этот изменяемый материал более легким. Исследователи проверили отдельные "элементарные ячейки" нового материала - полые структуры, которые в совокупности могут образовывать крупные решетки. Если ячейка находилась на расстоянии 8 см от магнита, а затем ее перемещали на расстояние 1 см от магнита, то жесткость структуры увеличивалась примерно на 62 процента. В будущих технологиях этот материал может быть соединен с устройствами, которые используют электричество для генерации магнитных полей, называемыми электромагнитами. По словам Джексона, материал, который способен становиться при необходимости мягче или жестче, может быть использован для изготовления спортивных накладок или шлемов следующего поколения с настраиваемым поглощением ударов. Роботы с изменяемой жесткостью могут втискиваться в небольшие пространства, но при этом быть достаточно крепкими, чтобы перемещать другие объекты.

Другие интересные новости:

▪ Протез для черепахи

▪ Маршрутизатор ASUS RT-AC87U

▪ Бюджетный 8" планшет Archos 80 Xenon на Android 4.1

▪ Карманный SSD-накопитель Verbatim Vx500

▪ Бабочки летают не хуже птиц

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Блоки питания. Подборка статей

▪ статья Стивен Уильям Хокинг. Знаменитые афоризмы

▪ статья Что такое Великое переселение народов? Подробный ответ

▪ статья Сливщик-разливщик лаков и растворителей. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Паяльник из шприца. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Схема, распиновка (распайка) кабеля Alcatel 311-315 BF3/4. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025