Zestaw części do budowy multi-robota dostępny jest na stronie www.celtor.pl.

Ryc. 1 Zestaw podzespołów do budowy części bazowej multi-robota.

Do budowy pierwszego line followera wykorzystaliśmy płytki uniwersalne. Z tego powodu musieliśmy za pomocą licznych zworek i przewodów samodzielnie tworzyć połączenia pomiędzy poszczególnymi podzespołami. Wymagało to oczywiście większego nakładu pracy, ale i niewątpliwie miało walor edukacyjny.

Multi-robot z uwagi na stopień skomplikowania, a jednocześnie większy stopień wtajemniczenia osób go wykonujących, zostanie zbudowany na specjalnie dedykowanym obwodzie drukowanym. Poszczególne punkty lutownicze zostały już połączone odpowiednimi ścieżkami, a miejsca do których należy przylutować kolejne podzespoły są opisane.

Ryc. 2 Obwód drukowany części bazowej multi-robota z oznaczonymi punktami lutowniczymi poszczególnych podzespołów – strona górna.

Od których podzespołów zacząć lutować? Zasadą jest, że zaczynamy od zworek i małych elementów, by stopniowo przejść do tych coraz większych.

Zworki najlepiej jest zagiąć pęsetą, a nie np. palcami, dzięki temu będą one miały ładniejszy kształt.

Zworka 1 i 2 łączy nóżki 1, 9 i 16 układów L293D. Zworka 3 łączy 10 nóżkę układu U2 ze złączem CON4 – IN23P. Zworka 4 i 5 łączą podzespoły leżące niżej z plusem zasilania.

Ryc. 3 Sposób przylutowania zworek ZW1, ZW2, ZW3 oraz ZW4 (a – górna część płytki; b, c – dolna część płytki).

Kolejnym etapem będzie przylutowanie układów L293D (U1 i U2) oraz zworki 6 (ZW6), która łączy 16 nóżkę jednego i 1 nóżkę drugiego układu.

Ryc. 4 Przylutowanie układów L293D (U1 i U2) oraz zworki ZW6 (a, b – górna część płytki; c, d – dolna część płytki).

Przed przylutowaniem stabilizatora L7805 (U3) należy zagiąć jego nóżki (np. przy pomocy kombinerek lub szczypiec). Obok niego znajdują się kondensatory elektrolityczne 100uF (C4, C8).

Ryc. 5 Montaż stabilizatora L7805 (U3) oraz kondensatorów 100uF (C4, C8) (a, b, c – górna część płytki; d, e – dolna część płytki).

Teraz rezystory:

• 4 x 10kΩ – R3, R4, R7, R10 – przez nie prąd dopływa do kolektorów poszczególnych tranzystorów w części obwodu z czujnikami podczerwieni;

Ryc. 6 Montaż rezystorów 10kΩ (R3, R4, R7, R10) po górnej stronie płytki.

• 8 x 470Ω – R1, R5, R8, R9 – rezystory te zabezpieczają fototranzystory przed zbyt wysokim prądem bazy w przypadku gdyby potencjometry (P1, P2, P3, P4) zostały maksymalnie skręcone; R2, R6, R11, R12 zabezpieczają diody nadawcze podczerwieni.

Ryc. 7 Montaż rezystorów 470Ω (R1, R2, R5, R6, R8, R9, R11, R12) po górnej stronie płytki.

Pora na potencjometry precyzyjne, wieloobrotowe (P1, P2, P3, P4) za pomocą których będzie można regulować prąd dopływający do fototranzystorów.

Ryc. 8 Montaż potencjometrów (P1, P2, P3, P4).

Kondensatory elektrolityczne 47uF (C1, C2, C3) zapobiegają wzbudzaniu układu, tłumią szpilki napięciowe.

Ryc. 9 Montaż kondensatorów 47uF (C1, C2, C3).

Podobną funkcję pełnią kondensatory ceramiczne 100nF (C5, C6, C7).

Ryc. 10 Montaż kondensatorów ceramicznych 100nF (C5, C6, C7).

Włączanie i wyłączanie się tranzystorów (T1, T2, T3, T4) zależy od zmian natężenia światła odbieranych przez fototranzystory.

Ryc. 11 Montaż tranzystorów (T1, T2, T3, T4) po górnej stronie płytki.

Diody (D1, D2, D3, D4) mają kolor niebieski, fototranzystory (FT1, FT2, FT3, FT4, FT5, FT6, FT7, FT8) zaś są czarne.

Ryc. 12 Diody nadawcze podczerwieni (D1, D2, D3, D4) oraz fototranzystory podczerwieni (FT1, FT2, FT3, FT4, FT5, FT6, FT7, FT8) na tle: a) górnej; b) dolnej strony płytki.

Nóżki diod nadawczych podczerwieni należy krótko obciąć, a następnie przylutować tak, aby znalazły się one po dolnej stronie płytki.

Ryc. 13 Montaż diod nadawczych podczerwieni po dolnej stronie płytki.

Z obu stron diod nadawczych podczerwieni należy przylutować fototranzystory podczerwieni. UWAGA! Należy je umieścić pod kątem – wychylone w stronę diod.

Ryc. 14 Montaż fototranzystorów podczerwieni (FT1, FT2, FT3, FT4, FT5, FT6, FT7, FT8) po dolnej stronie płytki.

Za pomocą złącz (CON1, CON4, CON5, CON9) będziemy mogli połączyć czujniki z układami sterującymi lub całą płytę bazową z częścią mikroprocesorową multi-robota.

Ryc. 15 Montaż złącz (CON1, CON4, CON5, CON9) po górnej stronie płytki.

Przejdziemy teraz do montażu silników.

Ryc. 16 Elementy niezbędne do montażu silników na płytce bazowej multi-robota.

Do silników przylutowujemy kondensatory ceramiczne 100nF (niwelują zakłócenia emitowane przez komutator i szczotki pracujące wewnątrz silników), a następnie przewód.

Ryc. 17 Montaż kondensatorów 100nF oraz przewodów do silników M1, M2.

Montujemy silnik M1…

Ryc. 18 Montaż silnika M1 po górnej stronie płytki.

a następnie silnik M2.

Ryc. 19 Montaż silnika M2 po górnej stronie płytki.

Końcówki przewodów odchodzące od silników przylutowujemy w specjalnie oznaczonych punktach lutowniczych.

Ryc. 20 Montaż przewodów odchodzących od silników.

Jeśli zamierzamy zakończyć budowę multi-robota na jego części bazowej i cieszyć się line followerem, czeka nas tylko jeszcze przylutowanie dwóch kabelków po spodniej stronie płytki. Łączą one wyprowadzenia złącza CON1 (odbierającymi informację z czujników) ze złączem CON4 (połączonym z układami L293D):

• pin FT12 w złączu CON1 z pinem IN14L w złączu CON4;
• pin FT34 w złączu CON1 z pinem IN14P w złączu CON4.

Ryc. 21 Montaż przewodów łączących piny ze złącza CON1 z pinami ze złącza CON4.

Ostatnim już etapem budowy line followera jest przylutowanie przewodów od koszyka baterii (pamiętajcie o wyjęciu z niego baterii przed lutowaniem!) do złącza CON10.

Ryc. 22 Montaż przewodów zasilających multi-robota.

Teraz pozostało wykonać pierwszy test potwierdzający poprawność montażu. Prawidłowo zmontowany robot od razu jeździ w sposób właściwy po czarnej linii z białym tłem. Jeżeli np robot jedzie do tyłu lub się obraca oznacza to, że najprawdopodobniej źle zostały przylutowane przewody silników do obwodu drukowanego (zamieniony plus z minusem).

Do zasilenia części bazowej multi-robota w zupełności wystarczy napięcie 6V. Tak jak do tej pory proponuję zastosować koszyk z czterema bateriami AAA 1,5V.

Kolejną część obwodu stanowi stabilizator w otoczeniu kondensatorów, który zapewni nam stałe napięcie rzędu 5V:

Ryc. 1 Fragment obwodu multi-robota ze stabilizatorem (U3) oraz otaczającymi go kondensatorami (C2, C3, C5, C8).

Zasada działania multi-robota jest analogiczna do tej w pierwszym prostym line followerze, który zbudowaliśmy na początku. Oba roboty są wyposażone w reflektory oświetlające tor oraz czujniki reagujące na zmiany natężenia odbitego z tą różnicą, że zamiast oświetlenia widocznego dla ludzkiego oka zastosowano elementy podczerwieni. Ten prosty zabieg spowoduje, że robot będzie mniej wrażliwy na światło dzienne.

Reflektory to 4  diody nadawcze podczerwieni. Każda z nich jest zabezpieczona przed zbyt wysokim prądem odpowiednim rezystorem:

Ryc. 2 Fragment obwodu multi-robota z reflektorami (D1, D2) oraz rezystorami (R2, R6).

(Ten fragment układu występuje w 2 powtórzeniach.)

Część obwodu z czujnikami (fototranzystorami podczerwieni) reagującymi na zmiany natężenia oświetlenia wygląda następująco:

Ryc. 3 Fragment obwodu multi-robota z fototranzystorami (FT1, FT2), tranzystorem T1, potencjometrem (P1) oraz rezystorami (R1 i R3).

(Ten fragment układu występuje w 4 powtórzeniach.)

Nowym podzespołem o którym nie mówiliśmy w ramach kursu elektroniki dla początkujących jest fototranzystor:

Ryc. 4 Schemat fototranzystora.

Ze schematu widzimy, że posiada on standardowo kolektor i emiter… ale co z bazą? W zwykłym tranzystorze prąd dopływający do bazy steruje jego pracą załączając go i wyłączając. Fototranzystor włącza się i wyłącza w zależności od natężenia światła, dlatego też na schemacie baza została zastąpiona strzałkami obrazującymi promienie. Poza tą różnicą fototranzystor zachowuje się jak standardowy tranzystor.

Wróćmy do czujników multi-robota. Każdy czujnik posiada dwa fototranzystory reagujące na zmiany natężenia światła. Gdy jest ono zbyt słabe fototranzystory pozostają wyłączone, a prąd przepływający przez rezystor R1 i potencjometr P1 w całości dopływa do bazy tranzystora T1, a tym samym jest wystarczający do jego włączenia.

Gdy natężenie światła docierającego do fototranzystorów zwiększy się i stanie się wystarczające do ich załączenia przez złącze kolektor – emiter zaczyna płynąć prąd. Przez to prąd dopływający do bazy tranzystora jest zbyt niski i pozostaje on wyłączony.

Jak zapewne się domyślacie informacja z każdego z tych 4 czujników powinna docierać do jakiegoś układu sterującego pracą silnika, ale w rzeczywistości nie dociera! Jak to możliwe? Jak układ sterujący silnikami może nie być w żaden sposób połączony z czujnikami? Skąd ma wiedzieć kiedy ruszyć, a kiedy stanąć?

Multi-robot to robot zaprojektowany z myślą o osobach, które uczą się konstruować roboty, rozbudowywać je i programować. Dlatego informacja z czujników położonych w części bazowej robota dociera do odpowiednich złącz – informacja z fototranzystorów:

• FT1 i FT2 trafia do złącza FT12;
• FT3 i FT4 trafia do złącza FT34;
• FT5 i FT6 trafia do złącza FT56;
• FT7 i FT8 trafia do złącza FT78.

Ryc. 5 Fragment obwodu multi-robota z czujnikami połączonymi do złącz FT12 i FT34.

(Ten fragment układu występuje w 2 powtórzeniach.)

Jeżeli chcemy zakończyć budowę multi-robota na płytce bazowej – odpowiednie złącza do których dociera informacja z fototranzystorów wystarczy połączyć z odpowiednimi złączami przy układach sterujących silnikami. Wystarczą do tego zwykłe zworki.

Jeśli będziecie mieli ochotę na dalszą rozbudowę robota, a tym samym naukę jego programowania czy po protu chcielibyście zbudować robota, którym można by sterować zdalnie – wystarczy zarówno złącza przy czujnikach, jak i te przy układach sterujących silnikami połączyć z mikroprocesorem. (dokładną instrukcję jak to zrobić znajdziecie przy opisie części mikroprocesorowej multi-robota).

Przejdziemy teraz do układów sterujących silnikami.

Każdy z silników połączony jest ze swoim sterownikiem – układem L293D.

Ryc. 6 Układ L293D.

Jego notę katalogową znajdziecie na stronie www.celtor.pl. Szczególnie interesuje nas tzw. „block diagram” widoczny na stronie drugiej:

Ryc. 7 Schemat funkcji pinów układu L293D.

Te 4 trójkąty wewnątrz układu L293D to 4 wzmacniacze. Każdy z nich możemy połączyć z osobnym silnikiem, który będzie się kręcił w jedną stronę (tak jak to widać po prawej stronie układu). Możemy także 2 wzmacniacze połączyć z jednym silnikiem, który będzie mógł obracać się w obie strony (tak jak to widać po lewej stronie układu).

W multi-robocie wszystkie 4 wzmacniacze układu L293D połączymy z jednym silnikiem. W efekcie uzyskamy większe wzmocnienie i szybszą pracę silnika.

Prześledźmy teraz połączenie wszystkich nóżek układu L293D w multi-robocie na przykładzie układu oznaczonego symbolem U1.

Ryc. 8 Fragment obwodu multi-robota: stabilizator napięcia (U3) wraz z otaczającymi go kondensatorami (C2, C3, C5, C8), kondensatorami zapobiegającymi niekontrolowane wzbudzanie układów (C4, C6, C7), sterownikami silników L293D (U1, U2) oraz silnikami (M1, M2).

Nóżki 4 i 5 oraz 12 i 13 są połączone z masą, zgodnie ze schematem z noty katalogowej.

Nóżka 1 i 9 doprowadzają napięcie do wzmacniaczy, zaś nóżka 16 doprowadza napięcie do układu L293D z tego powodu wszystkie te nóżki zostały połączone (aby nie zaciemniać schematu licznymi liniami łączącymi poszczególne nóżki ich połączenia wrysowano w układ L293D, tak jak np. połączenie nóżki 1 i 16).

Nóżka 2 i 15 oraz 7 i 10 doprowadzają sygnał (1 lub 0) do czterech wzmacniaczy:

• nóżkę 2 i 15 zwarto razem, a następnie ich wyprowadzenie połączono ze złączem IN14L (w przyszłości złącze to będzie zwarte ze złączem FT12 odbierającym sygnał z fototranzystorów 1 i 2);
• nóżkę 7 i 10 zwarto razem, a następnie ich wyprowadzenie połączono ze złączem IN23L (w przyszłości złącze to będzie zwarte ze złączem FT34 odbierającym sygnał z fototranzystorów 3 i 4).

Co się stanie, jeśli sygnał, czyli logiczna 1, trafi zarówno do nóżek 2 i 15, jak i do nóżek 7 i 10? Na schemacie powyżej widzimy, że ich wyjścia, czyli nóżki 3 i 14 oraz 6 i 11, łączą się z przeciwnymi biegunami silnika M1. W takiej sytuacji silnik pozostanie wyłączony.

Silnik zacznie obracać kołem tylko w sytuacji, gdy do jednej pary nóżek (np. 2 i 15) dotrze sygnał (logiczne 1), a do drugiej (np. 7 i 10) nie (logiczne 0).

No dobrze, więc co trzeba zrobić, żeby robot jechał do przodu. Na której parze nóżek (2 i 15 czy 7 i 10) ma się pojawić logiczne 1? Wszystko zależy od tego jak podłączymy silnik.

Na koniec spójrzcie jeszcze na schemat z ryc. 7, a dokładnie na silnik po lewej stronie układu. Jak już tłumaczyłam przed chwilą, kierunek obrotu silnika zależeć będzie od informacji docierającej do niego ze sterownika – układu L293D. Połączenie linii wokół silnika przypomina trochę literę H, dlatego też układ elektroniczny umożliwiający sterowanie kierunkiem obrotu silnika nazywamy mostkiem H.

Jeśli zbudowałeś już pierwszego prostego robota typu line follower i masz ochotę na większe wyzwanie – zapraszam do zapoznania się z multirobotem.

Jest to autorska konstrukcja oferowana przez sklep elektroniczny www.celtor.pl, która powstała specjalnie z myślą o czytelnikach bloga RobotykaDlaPoczątkujących!

Multirobot będzie posiadał następujące funkcje:

• robot typu line follower,
• robot mini sumo (wymiary i masa robota spełniają standardy jakie muszą spełniać roboty na zawodach, więc nic nie stoi na przeszkodzie, abyś i Ty wziął w nich udział!),
• robot zdalnie sterowany.

Oczywiście nie od razu Rzym zbudowano… W kolejnych wpisach będą zamieszczać instrukcję budowy kolejnych części robota.

Zaczniemy od części bazowej – kompletnego modułu napędowego umożliwiającego zbudowanie robota line follower bez części mikroprocesorowej:

Kolejnym etapem będzie część mikroprocesorowa z czujnikami ultradźwiękowymi i modułem odbiornika radiowego. W skład zestawu wchodzi m.in. zaprogramowany mikrokontroler, który w zależności od wybranego programu posiada 3 opcje:

• mini sumo: automatyczny wybór koloru ringu, automatyczne wyszukiwanie przeciwnika, blokada przed przypadkowym zjazdem z ringu, najazd na przeciwnika, możliwość startu np z pilota IR (dostępny port)
• line follower (robot podążający za linią): automatyczna zmiana trasy po wykryciu poziomej linii
• zdalne sterowanie: kierowanie robotem z czterokanałowej aparatury do zdalnego sterowania z trymerami cyfrowymi, płynna regulacja prędkości obrotowej silników: jazda przód tył oraz skręcanie prawo/lewo, możliwość sterowania serwomechanizmem.

Będziecie mieli również możliwość wgrania własnego programu przez złącze ISP.

Na koniec omówimy budowę i zasadę działania 4-kanałowego nadajnika do zdalnego sterowania z trymerami cyfrowymi, pracującego na częstotliwości 433MHz.