Календарний план

№ п./п.	Назва етапів дипломного проекту (роботи)	Термін виконання етапів проекту (роботи)	Примітка
1	Дослідження технічної документації та літературних джерел	02.02.15-05.03.15
2	Аналіз вимог щодо функціонування	05.03.15-08.03.15
3	Аналіз та вибір технічних засобів реалізації	08.03.15-12.03.15
4	Розробка архітектури апаратної частини пристрою	12.03.15-08.04.15
5	Розробка алгоритма функціонування системи	08.04.15-20.04.15
6	Розробка програмної реалізації алгоритма функціонування системи	20.04.15-1.05.15
7	Виконання розділу з охорони праці та безпеки у надзвичайних ситуаціях	1.05.15-12.05.15
8	Виконання економічної частини	12.05.15-22.05.15
9	Оформлення пояснювальної записки та розробка графічної частини	22.05.15-1.06.15

Студент
	(підпис)
Керівник проекту (роботи)
		(підпис)

РЕФЕРАТ

Записка пояснювальна: 121с., 58 рисунків, 25 таблиць, 30 джерел.

Метою даного дипломного проекту є розробка мікроконтролерної системи керування мобільним роботом. Система складається з мікроконтролерної платформи, системи датчиків та виконавчого пристрою.

Розроблена система забезпечує рух мобільного робота за траєкторією, позначеною на поверхні. Уразі виникнення на шляху робота перешкоди, робот повинен виконати маневр, щоб минути перешкоду та повернутися на траєкторію.

Були розглянуті питання з охорони праці та безпеки у надзвичайних ситуаціях і виконані необхідні розрахунки. Зроблено техніко-економічне обґрунтування даного проекту.

РОБОТ, ДАТЧИК, КЕРУВАННЯ, МІКРОКОНТРОЛЕР, ТРАЕКТОРІЯ, АЛГОРИТМ, ПРОГРАМА

ABSTRACT

Explanatory note: 121 pages, 58 figures, 25 tables, 30 sources.

The purpose of this diploma project is the development of microcontroller control system for mobile robot. The system consists of microcontroller platform of sensors and actuators.

The developed system allows the movement of the mobile robot path marked on the surface. In the event of an obstacle in the path of the robot, the robot has to perform a maneuver to pass the obstacle and return to the path.

The issues of health and safety in emergency situations and make the necessary calculations. Made of a feasibility study of the project.

ROBOT, SENSOR, CONTROL, MICROCONTROLLER,TRAJECTORY, ALGORITHM, PROGRAM

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ 8

ВВЕДЕНИЕ 9

1 Анализ состояния вопросов управления роботами и постановка задач проектирования 12

1.1 Анализ систем управления роботами 12

1.1.1 Биотехнические системы управления роботами 15

1.1.2 Автоматические системы управления роботами 18

1.1.3 Интерактивная система управления роботами 21

1.2 Постановка задач проектирования 23

2 Разработка аппаратной части микроконтроллерной системы управления 26

2.1 Выбор базовой микроконтроллерной платформы 26

2.1.1 Отладочная плата STML32L-Discovery 26

2.1.2 Отладочная плата Arduino UNO 28

2.1.3 Отладочная плата Arduino Mega 2560 29

2.2 Выбор датчиков и исполнительных устройств 31

2.2.1 Датчик линии 31

2.2.2 Датчик препятствия 33

2.2.3 Шасси робота 43

2.2.4 Драйвер двигателей 49

2.3 Подключение датчиков и исполнительных устройств 53

2.3.1 Подключение двигателей к драйверу 53

2.3.2 Подключение драйвера к микроконтроллерной платформе 54

2.3.3 Подключение датчиков линии к микроконтроллерной платформе 55

2.3.4 Подключение УЗ-дальномеров к микроконтроллерной платформе 55

2.3.5 Подключение источников питания 56

2.4 Размещение датчиков на платформе 59

2.4.1 Размещение датчиков линии 59

2.4.2 Размещение УЗ-дальномеров 60

3 Разработка программного обеспечения микроконтроллерной системы 61

3.1 Выбор среды разработки программного обеспечения 61

3.1.1 Среда разработки AVR Studio 62

3.1.2 Среда разработки Arduino IDE 64

3.2 Разработка алгоритмов работы микроконтроллерной системы 67

3.3 Программная реализация алгоритмов 76

3.3.1 Инициализация портов и настройка их режима работы 76

3.3.2 Функция опроса датчиков линии 77

3.3.3 Функция опроса ультразвуковых дальномеров 78

3.3.4 Процедуры управления колесами 78

3.3.5 Процедура выбора стороны объезда 79

3.3.6 Процедура движения вдоль линии 79

3.3.7 Процедура схода с линии перед объездом 80

3.3.8 Процедура возвращения на линию 81

3.3.9 Процедура движения вдоль препятствия 82

4 охрана труда и БЕЗОПАСНОСТЬ в чрезвычайных ситуациях 85

4.1 Анализ условий труда на рабочем месте 85

4.2 Промышленная безопасность 92

4.3 Производственная санитария 94

4.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 100

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 102

5.1 Расчет показателя технического уровня проектируемой системы управления 102

5.2 Расчет трудоемкости разработки микроконтроллерной системы и заработной платы исполнителей 103

5.3 Расчет затрат на разработку микроконтроллерной системы 105

5.4 Определение показателя конкурентоспособности микроконтроллерной системы управления 106

ВЫВОДЫ 107

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК 109

Приложение А 113

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

ИК – инфракрасный

ИС – измерительная система

ИУС – информационно-управляющая система

ПО – программное обеспечение

ПЭВМ – персональная электронная вычислительная машина

УЗ – ультразвук

ШИМ – широтно-имульсная модуляция

ВВЕДЕНИЕ

Современная робототехника возникла во второй половине XX столетия, когда в ходе мощного развития производства появилась потребность в универсальных манипуляционных машинах-автоматах. Первый этап развития робототехники был связан с созданием промышленных роботов, которые заменили человека при выполнении однообразной, утомительной и зачастую небезопасной для здоровья работы. Роботы первого поколения представляли собой манипуляторы – механические руки, имеющие до шести степеней подвижности и управляемые дистанционно или по заранее составленной программе.

Следующим этапом развития робототехники было появление мобильных роботов. В связи с этим робототехника стала широко внедрятся в непромышленные и бытовые сферы человеческой деятельности. Это – спасательные работы на месте техногенных аварий, разведка полезных ископаемых на морском дне, обезвреживание и транспортировка взрывоопасных предметов и т.п.

Так как любой процесс управления предполагает наличие обратной связи, а ее реализация требует датчиков обратной связи, то появление и активное применение таких устройств позволяет делать роботов все более автономными.

Автономный робот – это робот конкретного назначения, в основных функциональных системах которого используются сложные алгоритмы функционирования или методы искусственного интеллекта, что позволяет расширить сферу применения робототехники практически на все области человеческой деятельности. Для успешного выполнения обширного круга задач роботы должны обладать способностью интерпритировать, планировать и автоматически выполнять полученное задание, используя бортовую вычислительную систему. Их особенность – возможность достижения заданной цели в неопределенной внешней среде, избегая столкновений со стационарными и подвижными препятствиями. При работе в незнакомом или изменяющемся окружении мобильный робот должен обладать способностью адаптироваться к изменениям в окружающей среде, реагировать на различные ситуации, а в сложных системах - действовать на основании предыдущего опыта.

Кроме этого, современные интегральные схемы дают возможность быстро создавать компактные и надежные системы управления, на разработку и отладку которых раньше уходило много времени и сил. Программное обеспечение и готовые программные наработки и библиотеки позволяют создавать алгоритмы управления на языках высокого уровня, при этом значительно сократив общие трудозатраты.

Таким образом, мировая робототехника и технологии, связанные с ними, развиваются стремительными темпами, приобретая все большую возможность использования роботов в различных областях человеческой деятельности. В первую очередь это связано с постоянным совершенствованием источников энергии, сенсорных устройств, вычислительных средств бортовых систем.

Все это способствует внедрению роботов в совершенно различные и новые сферы деятельности человека, где к ним предъявляются определенные требования и задачи, как правило специфические.

В связи с этим, при создании робота, для разработчиков всегда остаются актуальными задачи выбора аппаратной и исполнительной части робота, разработки системы управления и алгоритмов функционирования, выбора среды разработки, написания ПО для робота и т.д.

В данной работе поставлена задача создать мобильного робота, способного двигаться в неопределенной среде по маршруту, обозначенному контрастной линией на поверхности. При этом робот должен выполнять объезд препятствий, возникающих на пути, после чего снова возвращаться на свой маршрут.

Роботы подобного образца могут применяться для транспортировки различных деталей между производственными цехами на фабриках, лекарств в больницах или товаров на складах, где возможно возникновение препятствия на пути, например ящика. Удобно применять таких роботов в случае, когда использовать различные навигационные системы невозможно, либо нецелесообразно, а прокладывать маршрут удобнее с помощью нанесения линии, чем с применением сложных картографических систем. Так же подобные системы могут применяться, как часть, отвечающая за передвижение более сложных роботов, в которых выполнение основных операций берет на себя ЭВМ.