Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Югорский государственный университет»
Институт систем управления и информационных технологий
Кафедра автоматизированных систем обработки информации и управления
Выпускная квалификационная работа
на тему
«Соревновательный робот»
Студент-дипломник группы 1111Б
Лупу Александр Юрьевич
Руководитель от ЮГУ
к.т.н., Тей Д.О.
Нормоконтролер
к.т.н., Годовников Е.А
Рецензент:
к.ф.-м.н.,
Бурлуцкий В.В
Ханты-Мансийск
2015
Аннотация
Тема выпускной квалификационной работы: «Соревновательный робот».
Цель: конструирование робота, соответствующего требованиям соревнований VEX Skyrise.
Пояснительная записка к выпускной квалификационной работе состоит из 5-и глав и 10-и подглав.
В первой главе «Введение» рассматривается актуальность дипломного проекта.
Во второй главе «Постановка задачи» приведено описание предметной области, а также формулирование задачи дипломного проекта.
Во третьей главе «Метод решения задачи» описаны пути решения задач.
В четвертой главе «Описание реализации» приведено описание конструкторской и программной части проекта.
В пятой главе «Апробация» приведены результаты тестирования и опытной эксплуатации.
Пояснительная записка изложена на 44 страницах, включает 20 рисунков и 7
приложений. Список литературных источников содержит 7 наименований.
-VexRoboticsCompetition.
PIC - Peripheral Interface Controller.- Advanced RISC Machine
ШИМ - Широтно-импульсная модуляция
Сегодня мир нуждается в студентах, которые в будущем станут учеными, проектировщиками и специалисты по решению различных задач. Следующие одно за другим открытия в области химии, медицины, различных материалов, физики ставят новые задачи и открывают новые обширные возможности реализации различных задач с применением технологий. Эти задачи носят практических характер, их решение может помочь спасти мир, и специалисты, применяющие технологии в решении поставленных задач, станут теми людьми, которые сделают эту возможность реальностью.
Здесь раскрывается другая крупная проблема, с которой мы сталкиваемся сегодня: процент выпускников средних школ, выбирающих при поступлении в высшие учебные заведения технические дисциплины в качестве специализации, катастрофически мал. Что отражается не столько в недостатке притока студентов в технические профильные учебные заведения и университеты, сколько в недостатке заинтересованных и подготовленных абитуриентов. Иными словами, мы рискуем столкнуться с проблемой нехватки молодых людей следующего поколения, способных решать задачи будущего, если не уделим надлежащего внимания проблеме сегодня. Кто будет заниматься устранением последствий следующего мирового кризиса?
В процессе работы над этой проблемой, организации создают программы, призванные заинтересовать молодых людей и вовлечь их в изучение науки и технологии. Робототехника при этом была признана весьма мощной платформой для привлечения и удержания внимания сегодняшней многозадачной и окруженной техникой молодежи. Робототехника является сильным доводом в общении с интенсивно развивающимся современным поколением, и представляет собой идеальное сочетание практической физики, математики, компьютерного программирования, технологии цифровых прототипов, интегрированных процессов решения задач, командной работы и интеллектуального лидерства.
Количество заинтересованных студентов, ранее не раскрывавших способностей к изучению курса STEM (Наука, технология, проектирование и математика), постоянно растет, благодаря стараниям школ, международных добровольческих и правительственных организаций.
Робототехнические соревнования VEX Robotics Competition, которые проводятся фондом по образованию и соревновательной робототехнике Robotics, представляют собой программу, вдохновляющую тысячи студентов по всему миру к получению образования по смежным со STEM дисциплинам и дальнейшему профильному карьерному развитию. Наряду с многочисленными квалификационными робототехническими соревнованиями по всему миру, пользовательское сообщество VEX Robotics потонуло в заявках на создание новых состязаний, более простых и экономичных во внедрении и проведении.
Система проектирования VEX Robotics Design System помогает реализовать идейный заряд, полученный в ходе соревнований, в новом ключе. Система проектирования используется как платформа в классной робототехнике и предназначена для способствования динамичному креативному развитию в области робототехники и дисциплин STEM. VEX предлагает преподавателям и студентам доступную, продуманную и современную робототехническую систему, пригодную для использования в классной комнате и на игровом поле. Инновационная концепция VEX, предусматривающая применение стандартных заготовок для сборки конструкций, которые могут быть обрезаны и перегруппированы по желанию дизайнера, механических частей наряду с внушительным набором программируемых пользовательских процессоров для осуществления управления, раскрывает бесконечные возможности для проектирования.
Принимая участие в сезонных игровых мероприятиях по соревновательной
робототехнике VRC «Скайрайз», решая поставленные задачи и преодолевая
возникающие на их пути препятствия, команды приобретают множество новых
навыков. Решение некоторых задач требует индивидуального подхода, тогда как
другие задачи могут быть решены только путем тесного взаимодействия
студентов-членов команд и их руководителей. Команды будут работать сообща для
создания робота VEX, который примет участие в одном из множества турниров, где
они отпразднуют свои награды с членами других команд, друзьями и членами семей.
На момент окончания игрового сезона студенты не только завоюют награды за
создание собственных соревновательных роботов, но и приобретут представление о
науке и технологии, а также пути их применения в реальном мире. В дополнение,
они разовьют в себе жизненно важные навыки, такие как планирование, умение
решать задачи сообща, работать в команде и управлять самой работой команды, а
также проведения разработок и технические навыки.[1]
Ежегодно VEX Robotics World Championship the REC Foundation объявляет правила на следующий год для VRC и VEX IQ игр. Изменение правил ежегодно представляет студентам новый вызов на основе той же технологии.
Игры VEX «Скайрайз» проводятся на мягком поле 12 футов х 12 футов, окруженном металлическими листами и периметром из поликарбоната (лексана), схема поля представлена в Приложении Б. На поле находится сорок четыре куба и четырнадцать секций «скайрайз», которыми команды могут манипулировать, размещая их различными способами с целью набора баллов.
Всего в матче VEX «Скайрайз» участвует: сорок четыре куба (двадцать два красных и двадцать два синих) и четырнадцать секций «скайрайз». В ходе матча каждый робот должен иметь один куб в качестве первоначальной нагрузки и семь секций «скайрайз», помещенных в автопогрузчике своего альянса. Сорок кубов размещаются на заданных позициях на игровом поле. На поле располагается десять стоек различной высоты, каждый альянс также имеет одну собственную базу «скайрайз».
Матчи проводятся на поле, устроенном специальным образом, подробное представление о котором дано на рисунках ниже. Два альянса - «красный» альянс и «синий» альянс - состоят каждый из двух команд, соревнующихся в каждом матче. Задача - превзойти конкурирующий альянс по количеству набранных баллов, забрасывая кубы своего цвета в напольные ворота, на стойки или на собственный «скайрайз», а также удерживая стойки и конструируя собственные секции «скайрайз». Бонусные баллы начисляются по окончанию периода автономного управлению тому альянсу, который имеет наибольшую общую сумму баллов.[2-4]
Каждая команда может выставить для участия в соревнованиях VEX Robotics Competition только одного робота. Хотя внесение изменений в робота в ходе соревнований допускается, возможности команды ограничены только одним роботом. Система проектирования VEX Robotics Design System является мобильной платформой для проектирования роботов. В связи с этим, робот VEX, созданный для участия в VRC, оснащен следующими подсистемами:
Подсистема 1: Мобильная база робота, включающая в себя колеса, гусеницы, ходули или любые другие механизмы, обеспечивающие перемещение робота по большинству плоских игровых поверхностей поля.
Подсистема 2: Система питания и управления, включающая батарею VEX, систему управления VEX, а также необходимые моторы для мобильной базы робота.
Подсистема 3: Дополнительные механизмы (и необходимые моторы), позволяющие
манипулировать игровыми объектами и преодолевать препятствия на поле.[2]
VEX Dual Control Starter Kit - набор, содержащий все необходимые элементы для постройки телеуправляемого робота. Помимо сервомодулей и механической части, набор содержит джойстик для модуль беспроводной вязи для дистанционного управления.
Наборы VEX состоят из перфорированных металлических деталей - профиля и пластин, пластиковых элементов передач - зубчатые колеса, шкивы и колеса и т.п. Отдельно стоит отметить, что среди комплектующих VEX есть элементы пневматики и линейные передачи, различные колеса и гусеничные траки. Все эти комплектующие можно приобрести в отдельности и использовать при разработке собственной модели. Фото элементов комплектации представлены в Приложении В. [5]
Программное обеспечение VEX представлено тремя пакетами: MPLAB, easyC,
ROBOTC. Программное обеспечение MPLAB применимо для младшей модели управляющего
контроллера на базе PIC. Программные пакеты easyC и ROBOTC применимы как для
PIC, так и для Cortex контроллера.
Целью дипломного проекта является конструирование и программирование
соревновательного робота, соответствующего требованиям соревнований VEX Skyrise.
· Ознакомится с регламентом соревнований VEX Skyrise.
· Ознакомится с проектами участников предыдущих соревнований VEX Skyrise.
· На примере участников прошлых лет определить необходимую функциональность робота.
· Используя программное обеспечение ROBOTC for VEX Robotics 4.X запрограммировать работу робота с использованием устройства дистанционного контроля VEXnet джойстик.
· Реализовать автоматический режим работы робота.
программный
триггер робот автономный
Участнику соревнований необходимо за две минуты набрать наибольшее количество баллов, пятнадцать секунд из которых робот действует автономно, получая очки за конструирование собственной секции «скайрайз», четыре очка за каждую секцию, за перенос кубов на базу альянса, один балл за каждый куб, находящийся полностью на базе альянса, за нанизывание кубов на стойки различной высоты, два балла за каждый нанизанный куб, и базу «скайрайз», четыре балла за каждый нанизанный куб.
Изучив соревнования, была определена стратегия набора наибольшего
количества баллов заключающаяся в следующем: постановка секций «скайрайз» и
установка куба на стойку «скайрайз». Установка секции «скайрайз» дает
постепенный рост стойки «скайрайз», что позволяет заработать большое количество
баллов за меньший промежуток времени, нежели установка кубов на боковые стойки,
поскольку времени на подъем куба на изначально высокую стойку необходимо
больше.
Изучив все необходимые маневры соревновательного робота, сконструировать собственную модель, опытным путем прийти к усовершенствованию механизмов управления манипулятором и увеличению маневренности робота, как самого, так и с дополнительной нагрузкой.
Разобрав возможные варианты программирования управлением механизмами
робота, выбрать наиболее эффективный метод программирования.
Комплект состоит из программируемого контроллера Vex Cortex, джойстика VEXnet, адаптера VEXnet USB, а также интерфейсного кабеля, используемого для программирования, и аккумуляторного отсека для подачи питания Vex Cortex.
Адаптер VEXnet USB предназначен для беспроводной связи джойстика и программируемого контроллера. Также данный адаптер может использоваться для беспроводного программирования контроллера Vex Cortex, в случае если он недоступном месте на роботе.
Программируемый контроллер Vex Cortex является основным блоком управления роботом, с помощью которого осуществляется обработка показаний датчиков и выдача сигналов на исполнительные механизмы робота. Основой Vex Cortex является микроконтроллер STMicroelectronics ARM Cortex-M3 с производительностью до 90 миллионов операций в секунду. Помимо этого, Vex Cortex обладает 64КВ RAMи 384КВ FLASHпамяти для хранения программных данных.
Для подключения внешних устройств программируемый контроллер Vex Cortex обладает: портами для подключения двигателей и сервоприводов в количестве 8 шт., портами с выходом ШИМ (PWM) в количестве 2 шт., цифровыми портами в количестве 12 шт. и аналоговыми портами с разрешающей способностью 12 бит в количестве 8 шт.
В настоящее время различные цифровые интерфейсы связи являются неотъемлемой частью устройств управления. Программируемый контроллер Vex Cortex содержит последовательный интерфейс UART (в количестве 2 шт.) для обмена данными с различными устройствами, в частности с помощью данного интерфейса осуществляется взаимосвязь с навигационным контроллером, входящим в образовательный робототехнический модуль. Для подключения внешних устройств применяется интерфейс I2C, а также беспроводной радиоканал.
Беспроводной джойстик VEXnet предназначен для дистанционного управления роботами. Джойстик содержит 8 кнопок на лицевой панели, 4 кнопки на боковой панели и 2 двунаправленных аналоговых джойстика. Помимо вышеперечисленных устройств управления в джойстик встроен двухосевой акселерометр, с помощью которого можно определять ориентацию устройства в пространстве и таким образом управлять движением робота.
Беспроводной джойстик VEXnet представляет собой готовое к эксплуатации
устройство. Для того чтобы робот реагировал на нажатие кнопок джойстика в его
контроллер должна быть загружена управляющая программа, задающая определенный
закон управления в зависимости от нажатой на джойстике кнопки. Реакция робота
на нажатие кнопок джойстика программируется аналогичным образом, как и в случае
разработки любой другой программы, т.е. с помощью программных сред ROBOTC или
easyC.[6]
Привод 2-Wire Motor 269 wявляется двигателем коллекторным постоянного тока с редуктором, состоящим из металлических зубчатых передач. В комплект к двигателю входит набор винтов для его крепления и вал для передачи вращения от двигателя к исполнительному механизму.
Данный привод является наиболее распространенным в роботах на базе наборов из комплектующих VEX, поскольку Motor 269 обладает наиболее оптимальным соотношением технических характеристик и габаритов, а также может быть оснащен внешним инкрементным энкодером. При стандартном для комплектующих VEX питании в 7,2 В данный привод развивает момент 0,97 нм при скорости до 100 об/мин. Поскольку в процессе работы привод потребляет ток величиной до 2,6 А для подключения его к программируемому контроллеру необходимо применять силовую схему (драйвер двигателя).