УДК 681.52:372.862[*]
А. С.КРЕМЛЕВ, С.А. ВРАЖЕВСКИЙ , В. В.СТРУКОВА
ФГБОУ ВПО СПбНИУ ИТМО, Санкт-Петербург
ПРИМЕНЕНИЕ УЧЕБНЫХ РОБОТОВ "BOE-BOT"
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ПРАКТИКУМОВ
В представленном докладе рассматривается возможность применения мобильных роботов в качестве оборудования к лабораторным работам. Главной целью нашей работы является разработка учебно-методического комплекса для студентов технических специальностей. Данный метод способствует закреплению на практике знаний, полученных в ходе прослушивания лекционного материала и ознакомления с научной литературой.
Введение
Ввиду стремительного развития робототехники и компьютерных технологий возникает потребность в разработке новых обучающих курсов для студентов технических специальностей. В обучении студентов уже используются, например, роботы Lego NXT и Bioloid, [1] но все они обладают рядом существенных недостатков. Таковыми являются высокая стоимость роботов и невозможность решать задачи низкоуровневого программирования и схемотехники, необходимые для подготовки специалистов в области техники и технологий. Поэтому в качестве технической основы для лабораторных работ были выбраны роботы Boe-Bot компании Parallax. Это устройство используется во многих американских высших учреждениях, таких как Калифорнийский государственный университет, инженерно-научный колледж технического университета Луизианы и т. д. Такой робот отличается множеством преимуществ: встроенная макетная плата, альтернативное питание от аккумуляторов 9V, возможность режима работы без подачи питания на моторы, бесплатное ПО (BASIC Stamp Editor).
Основная часть
Главной задачей данной работы является разработка цикла лабораторных практикумов для студентов младших курсов технических специальностей. Данный цикл работ должен включать в себя задачи из следующих областей: электротехника и электроника, мехатроника, программирование и теория автоматического управления.
Лабораторная работа №1 «Программирование микроконтроллера»
В первой лабораторной работе осуществляется ознакомление с устройством микроконтроллера и освоение основных принципов работы с программным обеспечением. В ходе данной работы студентам предстоит освоить использование нескольких простых команд. В первую очередь следует научиться выводить сообщения с микроконтроллера на дисплей компьютера. Для этого используется команда DEBUG. Предлагается использование различных форматов вывода: символьный, числовой, а также вывод текста через ASCII коды. Далее следует использование операторов цикла DO…LOOP | FOR…NEXT, синтаксис которых отличается от привычного для студентов языка Си. [2] В данной части работы студентам необходимо осуществить цикличный вывод сообщений на экран. И в завершение,- оператор задержки PAUSE. С его помощью можно сделать некое подобие таймера, то есть организовать вывод на экран сообщений «Прошла 1 секунда», «…2 секунды» и т. д. через соответствующие промежутки времени. На этом лабораторная работа закончена, но в дальнейшем эти же команды будут использоваться в ходе выполнения других работ.
Лабораторная работа №2 «Мигание светодиодом»
Во второй лабораторной работе используются дополнительные электронные компоненты. В теоретической части содержится информация о светодиодах: физические основы их работы, особенности подключения, а также их технические параметры. В практической части сначала требуется собрать электрическую схему. После этого студентам предстоит освоить включение и выключение диода посредством подачи различных напряжений на соответсвующие выводы микроконтроллера. Для этого нужно использовать новые команды HIGH(то есть, подача 5 Вольт, или логической 1) и LOW(0 Вольт или логический 0). [2] Затем, посредством комбинации этих двух команд, а также уже знакомого нам оператора задержки, можно заставить диод мигать: он включается на определенное время, а затем гаснет. В дальнейшем задача усложняется: требуется подключить несколько светодиодов к различным выводам микроконтроллера и затем создать эффект «бегающего огонька»: когда загорается новый светодиод, предыдущий гаснет и так далее. Для этого понадобятся использовавшиеся в предыдущей лабораторной работе операторы цикла.
Лабораторная работа №3 «Управление серводвигателями»
Третья лабораторная работа посвящена управлению серводвигателями (в составе Boe-Bot’а это управление ведущими колесами). Теоретическая часть содержит сведения об устройстве двигателей и особенностях их подключения. Кроме того, описывается принцип скважностно-импульсной модуляции, необходимый для регулирования скорости вращения. На практике студентам предстоит сначала правильно подключить серво к плате, а затем освоиться с управлением посредством команды PULSOUT. С ее помощью мы можем отправлять импульсы заданной длительности с микроконтроллера. [2] Требуется, меняя ширину импульса, прокрутить каждое из колес сначала по часовой стрелке в течение 5 секунд, а потом против часовой. Следующий шаг - освоение перемещения вперед, назад, влево и вправо. В завершение, требуется написать такую программу, чтобы робот проехал по траектории в форме квадрата.
Лабораторная работа №4 «Навигация с помощью контактных датчиков»
Основная цель четвертой лабораторной работы состоит в том, чтобы научиться осуществлять контроль передвижения робота на основе показаний тактильных сенсоров. Из теоретической части можно узнать о принципе работы таких сенсоров, ознакомиться со схемой их включения. Такая схема более сложна по сравнению с предыдущими. В ходе работы необходимо сначала собрать схему и разобраться с получением данных с датчиков. После этого нужно немного усложнить схему, добавив в нее 2 светодиода и запрограммировать микроконтроллер таким образом, чтобы при нажатии левого датчика загорался один диод, при нажатии правого-другой. Наконец, следует привети систему в движение и научить ее ориентироваться в окружающей среде. То есть, робот должен поворачивать направо, когда левый ус детектирует препятствие, и налево в случае обнаружения помехи правым усом; когда оба сенсора находятся в отпущенном состоянии, робот должен прямолинейно ехать вперед. Так наше устройство будет объезжать препятствия на своем пути. Такой способ навигации является наиболее простым и в то же время наименее совершенным. В дальнейшем мы изучим и другие способы ориентации Boe-Bot’ов в пространстве.
Лабораторная работа №5 «Навигация с помощью фоторезисторов»
В лабораторной работе №5 нашей целью будет «научить» робота убегать от яркого света. Для этого будут использоваться фоторезисторы - полупроводниковые приборы, изменяющие величину своего сопротивления в зависимости от интенсивности попадающего на них света.[2] Подробнее устройство этих элементов описано в теоретической части работы. Практическая часть данной работы аналогична предыдущей: вначале требуется получить данные с фоторезисторов, затем оснастить систему двумя светодиодами-индикаторами работы каждого из датчиков. Затем нужно написать такую программу, чтобы Boe-Bot уезжал от источников яркого света в тень.
Лабораторная работа №6 «Навигация с помощью ИК излучателей»
Наконец, шестая лабораторная посвящена работе с ИК(инфракрасным)-излучением как средством определения препятствий на пути. В теоретической части содержится информация о свойствах ИК-излучения и принципах работы такой системы. В основе данного метода лежит свойство узконаправленности излучения. Излучатель является источником волн ИК-диапазона, которые отражаются от препятствий и улавливаются детекторами. В случае отсутсвия препятствий волны не отражаются, и приемники ничего не улавливают.[2] Схема, которую необходимо будет собрать, является наиболее сложной в данном курсе из-за большего количества элементов и их более сложного подключения. Практическая часть работы осуществляется по уже привычной студентам схем: первым шагом является получение информации с детекторов, вторым-добавление светодиодных индикаторов, третьим - контроль передвижения на основе данных, полученных с приемников.
Заключение
Итак, в данном докладе было представлено содержание разработанного учебно-методического комплекса, охватывающего различные области технического знания: от электротехники до высокоуровневого программирования. Нужно заметить, что данный цикл работ демонстрирует далеко не все возможности Boe-Bot’ов, а скорее, наиболее простые, базовые. Спектр подключаемого оборудования довольно широк: это и различные датчики, позволяющие получать более точные данные об окружающей среде, и иные механизмы передвижения, заменяющие колеса и повышающие проходимость робота, и модули радиосвязи, позволяющие отказаться от проводной передачи данных, а также многое другое. Таким образом, в перспективе комплекс может быть значительно расширен и усложнен.
В заключение, попробуем оценить те достоинства, которыми обладает созданный комплекс лабораторных работ. В первую очередь, это сравнительно невысокая цена оборудования, что немаловажно. Также это простота управления, что является существенным плюсом, учитывая, что предполагаемый пользователь - студент, не сталкивавшийся раньше с робототехникой и микроконтроллерами. Кроме того, широкий выбор электронных компонентов, перечисленных выше, предоставляет простор для деятельности. Вследствие этого, существует возможность для создания систем различной сложности. Роботы Boe-Bot, с которыми студенты знакомятся в процессе работы, в дальнейшем могут стать отличной основой для исследовательских и научных проектов. Последним, но, пожалуй, самым главным достоинством данного цикла работ, отличающим его от типичного образовательного курса, является взаимосвязь работ друг с другом. По сути, каждая новая работа делается на основе предыдущих, а все вместе они реализуются в пределах одной и той же технической системы Boe-Bot’а. Важно также то, что работы таким образом располагаются по усложнению, то есть, соблюдается логика обучения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Формирование учебного процесса на базе курса «Компьютерное управление мехатронными системами»// , , .- Известия вузов. Приборостроение, 2010, №2.-С.69-72.
2. Lindsay A. Robotics with the Boe-Bot.-Parallax Inc., 2010.-346 p.
Текст доклада согласован с научным руководителем.
[*]Научный руководитель кандидат технических наук, доцент кафедры систем управления и информатики НИУ ИТМО, заместитель декана факультета КтиУ
