Ювелирное обозрение

Сделать робота можно, используя лишь одну микросхему драйвера моторов и пару фотоэлементов. В зависимости от способа соединения моторов, микросхемы и фотоэлементов робот будет двигаться на свет или, наоборот, прятаться в темноту, бежать вперед в поисках света или пятиться, как крот, назад. Если добавить в схему робота пару ярких светодиодов, то можно добиться, чтобы он бегал за рукой и даже следовал по темной или светлой линии.

Принцип поведения робота основывается на "фоторецепции" и является типичным для целого класса BEAM-роботов. В живой природе, которой будет подражать наш робот, фоторецепция – одно из основных фотобиологических явлений, в котором свет выступает как источник информации.

В качестве первого опыта обратимся к устройству BEAM-робота, двигающегося вперед, когда на него падает луч света, и останавливающегося, когда свет перестает его освещать. Поведение такого робота называется фотокинезисом – ненаправленным увеличением или уменьшением подвижности в ответ на изменения уровня освещённости.

В устройстве робота, кроме микросхемы драйвера моторов L293D , будет использоваться только один фотоэлемент и один электромотор. В качестве фотоэлемента можно применить не только фототранзистор, но и фотодиод или фоторезистор.
В конструкции робота мы используем фототранзистор n-p-n структуры в качестве фотосенсора. Фототранзисторы на сегодняшний день являются, пожалуй, одним из самых распространенных видов оптоэлектронных приборов и отличаются хорошей чувствительностью и вполне приемлемой ценой.

На рисунке приведены монтажная и принципиальная схемы робота, и если Вы еще не очень хорошо знакомы с условными обозначениями, то, исходя из двух схем, несложно понять принцип обозначения и соединения элементов. Провод, соединяющий различные части схемы с "землей" (отрицательным полюсом источника питания), обычно не изображают полностью, а на схеме рисуют небольшую черточку, обозначающую, что это место соединяется с "землей". Иногда рядом с такой черточкой пишут три буквы "GND", что означает "землю" (ground). Vcc обозначает соединение с положительным полюсом источника питания. Вместо букв Vcc часто пишут +5V, показывая тем самым напряжение источника питания.

Принцип действия схемы робота очень простой. Когда на фототранзистор PTR1 упадет луч света, то на входе INPUT1 микросхемы драйвера двигателей появится положительный сигнал и мотор M1 начнет вращаться. Когда фототранзистор перестанут освещать, сигнал на входе INPUT1 исчезнет, мотор перестанет вращаться и робот остановится. Более подробно о работе с драйвером двигателей можно прочитать в предыдущей статье "Драйвер двигателей L293D".

Чтобы скомпенсировать проходящий через фототранзистор ток, в схему введен резистор R1, номинал которого можно выбрать около 200 Ом. От номинала резистора R1 будет зависеть не только нормальная работа фототранзистора, но и чувствительность робота. Если сопротивление резистора будет большим, то робот будет реагировать только на очень яркий свет, если – небольшим, то чувствительность будет более высокой. В любом случае не следует использовать резистор с сопротивлением менее 100 Ом, чтобы предохранить фототранзистор от перегрева и выхода из строя.

Сделать робота, реализующего реакцию фототаксиса (направленного движения к свету или от света), можно с использованием двух фотосенсоров.

Когда на один из фотосенсоров такого робота попадает свет, включается соответствующий сенсору электромотор и робот поворачивает в сторону света до тех пор, пока свет не осветит оба фотосенсора и не включится второй мотор. Когда оба сенсора освещены, робот движется навстречу источнику света. Если один из сенсоров перестает освещаться, то робот снова поворачивает в сторону источника света и, достигнув положения, при котором свет падает на оба сенсора, продолжает свое движение на свет. Если свет перестает падать на фотосенсоры, робот останавливается.

Схема робота симметричная и состоит из двух частей, каждая из которых управляет соответствующим электромотором. По сути, она является как бы удвоенной схемой предыдущего робота. Фотосенсоры следует располагать крест-накрест по отношению к электромоторам так, как показано на рисунке робота выше. Также можно расположить моторы крест-накрест относительно фотосенсоров так, как показано на монтажной схеме ниже.

Если мы расположим сенсоры в соответствии с левым рисунком, то робот будет избегать источников света и его реакции будут похожи на поведение крота, прячущегося от света.

Сделать поведение робота более живым можно, подав на входы INPUT2 и INPUT3 положительный сигнал (подключить их к плюсу источника питания): робот будет двигаться при отсутствии падающего на фотосенсоры света, а "увидев" свет, будет поворачивать в сторону его источника. Когда свет будет падать на оба сенсора, робот остановится.

Дорогой Бобот, а можно ли использовать в приводимой схеме простейшего робота какие-либо другие микросхемы, например L293DNE?

Конечно, можно, но видишь ли, в чем дело, дружище Бибот. Настоящая L293D выпускается только группой компаний ST Microelectronics. Все остальные подобные микросхемы являются лишь заменителями или аналогами L293D . К таким аналогам относятся L293DNE американской компании Texas Instruments, SCP-3337 от Sensitron Semiconductor. Естественно, что, как и многие аналоги, эти микросхемы имеют свои отличия, которые тебе будет необходимо учитывать, когда ты будешь делать своего робота.

А не мог бы ты рассказать об отличиях, которые мне необходимо будет учесть при использовании L293DNE.

С удовольствием, старина Бибот. Все микросхемы линейки L293D имеют входы, совместимые с TTL-уровнями*, но лишь совместимостью уровней некоторые из них не ограничиваются. Так, L293DNE имеет не только совместимость с TTL по уровням напряжения, но и обладает входами с классической TT-логикой. То есть на неподключенном входе присутствует логическая "1".

Прости, Бобот, но я не совсем понимаю: как же мне это учитывать?

Если на неподключенном входе у L293DNE присутствует высокий уровень (логическая "1"), то и на соответствующем выходе мы будем иметь сигнал высокого уровня. Если мы теперь подадим на рассматриваемый вход сигнал высокого уровня, говоря по другому – логическую "1" (соединим с "плюсом" питания), то на соответствующем выходе ничего не изменится, так как на входе у нас и до этого была "1". Если же мы подадим на наш вход сигнал низкого уровня (соединим с "минусом" питания), то состояние выхода изменится и на нем будет напряжение низкого уровня.

То есть получается все наоборот: L293D мы управляли с помощью положительных сигналов, а L293DNE нужно управлять с помощью отрицательных.

L293D и L293DNE можно управлять как в рамках отрицательной логики, так и в рамках положительной*. Для того чтобы управлять входами L293DNE с помощью положительных сигналов, нам будет необходимо подтянуть эти входы к "земле" подтягивающими резисторами.

Тогда, при отсутствии положительного сигнала, на входе будет присутствовать логический "0", обеспечиваемый подтягивающим резистором. Хитроумные янки называют такие резисторы pull-down, а при подтягивании высокого уровня – pull-up.

Насколько я понял, все, что нам нужно будет добавить в схему простейшего робота, – так это подтягивающие резисторы на входы микросхемы драйвера моторов.

Ты совершенно правильно понял, дорогой Бибот. Номинал этих резисторов можно выбрать около 4,7 кОм. Тогда схема простейшего робота будет выглядеть следующим образом.

Причем от номинала резистора R1 будет зависеть чувствительность нашего робота. Чем сопротивление R1 будет меньше, тем чувствительность робота будет ниже, а чем оно будет больше, тем чувствительность будет выше.

А так как в данном случае нам нет необходимости управлять мотором в двух направлениях, то второй вывод мотора мы можем подключить напрямую к "земле". Что даже несколько упростит схему.

И последний вопрос. А в тех схемах роботов, которые ты привел в рамках нашей беседы, может быть использована классическая микросхема L293D?

Конечно, может. И я бы даже добавил, что использование pull-down резисторов для L293D будет вполне оправдано.

Чтобы сделать робота, "бегающего" за рукой, нам понадобятся два ярких светодиода (на схеме LED1 и LED2). Подключим их через резисторы R1 и R4, чтобы скомпенсировать протекающий через них ток и предохранить от выхода из строя. Расположим светодиоды рядом с фотосенсорами, направив их свет в ту же сторону, в которую ориентированы фотосенсоры, и уберем сигнал с входов INPUT2 и INPUT3.

Задача получившегося робота – реагировать на отраженный свет, который излучают светодиоды. Включим робота и поставим ладонь перед одним из фотосенсоров. Робот повернет в сторону ладони. Переместим ладонь немного в сторону так, чтобы она скрылась из поля "зрения" одного из фотосенсоров, в ответ робот послушно, как собачка, повернет за ладонью.
Светодиоды следует подбирать достаточно яркие, чтобы отраженный свет устойчиво улавливался фототранзисторами. Хороших результатов можно достичь при использовании красных или оранжевых светодиодов с яркостью более 1000 мКд.

Если робот реагирует на вашу руку только тогда, когда она почти касается фотосенсора, то можно попробовать поэкспериментировать с листочком белой бумаги: отражающие способности белого листа намного выше, чем у человеческой руки, и реакция робота на белый листок будет намного лучше и устойчивее.

Белый цвет обладает самыми высокими отражающими свойствами, черный – наименьшими. Основываясь на этом, можно сделать робота, следующего по линии. Сенсоры при этом следует расположить так, чтобы они были направлены вниз. Расстояние между сенсорами должно быть немного больше, чем ширина линии.

Cхема робота, следующего по черной линии, идентична предыдущей. Чтобы робот не терял черную линию, нарисованную на белом поле, ее ширина должна быть около 30 мм или шире. Алгоритм поведения робота достаточно прост. Когда оба фотосенсора улавливают отраженный от белого поля свет, робот движется вперед. Когда один из сеносоров заезжает на черную линию, соответствующий электромотор останавливается и робот начинает поворачиваться, выравнивая свое положение. После того как оба сенсора снова находятся над белым полем, робот продолжает свое движение вперед.

Примечание:
На всех рисунках роботов микросхема драйвера двигателей L293D показана условно (только управляющие входы и выходы).

Робот представляет собой платформу с четырьмя колесами. Платформа вырезана лазером по моим чертежам.

Каждое колесо приводится в движение редуктором с мотором.

Для управления колесным роботом используется Ардуино Мега.

Существуют три режима работы робота: радиоуправление, самостоятельное движение и откат по памяти назад.

Используемые датчики: ультразвуковые, инфракрасные.

Для индикации текущего режима работы используется полноцветный LED. В режиме радиоуправления светодиод мигает, при самостоятельном режиме – светится постоянно, синий цвет – откат по памяти.

Крепление деталей к платформе робота осуществляется нейлоновыми болтами, гайками, стойками.

Состав пульта: Ардуино Нано, джойстик, передатчик 433МГц, клавиатура на 5 кнопок.

Видео испытаний инфракрасных датчиков: https://youtu.be/F4poZUIt5Mc

Видео испытаний ультразвуковых датчиков: https://youtu.be/s-vzDc4BbiA

По части программирования Arduino:

KemaUS – класс для работы с ультразвуковыми датчиками. При расстоянии до препятствия более 30см робот движется вперед, сигнал на LED индикаторе зеленый. При расстоянии 15 – 30 см – он останавливается, LED индикатор желтый. При приближении препятствия менее чем на 15 см – робот едет назад, LED индикатор красный.

KemaIR – класс для работы с инфракрасными датчиками. Данные датчики срабатывают на определенном расстоянии, в данном случае чуть ниже плоскости, на которой стоят колеса робота. Если хотя бы один срабатывает, то робот останавливается.

KemaState – класс для сохранения состояния робота. В него записываются показания датчиков, скорость и поворот, если есть. В скетче для Ардуино Меги используются две переменные этого класса: текущее и предыдущее состояния. Также используется в классе KemaMem.

KemaDrive – класс для управления моторами. Скорость отрицательная – назад, положительная – вперед. Отрицательный поворот – влево, положительный – вправо.

KemaLED – класс для управления полноцветным LED индикатором. Мигание означает режим радиоуправления, постоянный свет – режим робота. При этом могут гореть три цвета:

зеленый – робот едет вперед (нет препятствий);

Сделать робота можно, используя лишь одну микросхему драйвера моторов и пару фотоэлементов. В зависимости от способа соединения моторов, микросхемы и фотоэлементов робот будет двигаться на свет или, наоборот, прятаться в темноту, бежать вперед в поисках света или пятиться, как крот, назад. Если добавить в схему робота пару ярких светодиодов, то можно добиться, чтобы он бегал за рукой и даже следовал по темной или светлой линии.

Принцип поведения робота основывается на "фоторецепции" и является типичным для целого класса BEAM-роботов. В живой природе, которой будет подражать наш робот, фоторецепция – одно из основных фотобиологических явлений, в котором свет выступает как источник информации.

В качестве первого опыта обратимся к устройству BEAM-робота, двигающегося вперед, когда на него падает луч света, и останавливающегося, когда свет перестает его освещать. Поведение такого робота называется фотокинезисом – ненаправленным увеличением или уменьшением подвижности в ответ на изменения уровня освещённости.

В устройстве робота, кроме микросхемы драйвера моторов L293D , будет использоваться только один фотоэлемент и один электромотор. В качестве фотоэлемента можно применить не только фототранзистор, но и фотодиод или фоторезистор.
В конструкции робота мы используем фототранзистор n-p-n структуры в качестве фотосенсора. Фототранзисторы на сегодняшний день являются, пожалуй, одним из самых распространенных видов оптоэлектронных приборов и отличаются хорошей чувствительностью и вполне приемлемой ценой.

На рисунке приведены монтажная и принципиальная схемы робота, и если Вы еще не очень хорошо знакомы с условными обозначениями, то, исходя из двух схем, несложно понять принцип обозначения и соединения элементов. Провод, соединяющий различные части схемы с "землей" (отрицательным полюсом источника питания), обычно не изображают полностью, а на схеме рисуют небольшую черточку, обозначающую, что это место соединяется с "землей". Иногда рядом с такой черточкой пишут три буквы "GND", что означает "землю" (ground). Vcc обозначает соединение с положительным полюсом источника питания. Вместо букв Vcc часто пишут +5V, показывая тем самым напряжение источника питания.

Принцип действия схемы робота очень простой. Когда на фототранзистор PTR1 упадет луч света, то на входе INPUT1 микросхемы драйвера двигателей появится положительный сигнал и мотор M1 начнет вращаться. Когда фототранзистор перестанут освещать, сигнал на входе INPUT1 исчезнет, мотор перестанет вращаться и робот остановится. Более подробно о работе с драйвером двигателей можно прочитать в предыдущей статье "Драйвер двигателей L293D".

Чтобы скомпенсировать проходящий через фототранзистор ток, в схему введен резистор R1, номинал которого можно выбрать около 200 Ом. От номинала резистора R1 будет зависеть не только нормальная работа фототранзистора, но и чувствительность робота. Если сопротивление резистора будет большим, то робот будет реагировать только на очень яркий свет, если – небольшим, то чувствительность будет более высокой. В любом случае не следует использовать резистор с сопротивлением менее 100 Ом, чтобы предохранить фототранзистор от перегрева и выхода из строя.

Сделать робота, реализующего реакцию фототаксиса (направленного движения к свету или от света), можно с использованием двух фотосенсоров.

Когда на один из фотосенсоров такого робота попадает свет, включается соответствующий сенсору электромотор и робот поворачивает в сторону света до тех пор, пока свет не осветит оба фотосенсора и не включится второй мотор. Когда оба сенсора освещены, робот движется навстречу источнику света. Если один из сенсоров перестает освещаться, то робот снова поворачивает в сторону источника света и, достигнув положения, при котором свет падает на оба сенсора, продолжает свое движение на свет. Если свет перестает падать на фотосенсоры, робот останавливается.

Схема робота симметричная и состоит из двух частей, каждая из которых управляет соответствующим электромотором. По сути, она является как бы удвоенной схемой предыдущего робота. Фотосенсоры следует располагать крест-накрест по отношению к электромоторам так, как показано на рисунке робота выше. Также можно расположить моторы крест-накрест относительно фотосенсоров так, как показано на монтажной схеме ниже.

Если мы расположим сенсоры в соответствии с левым рисунком, то робот будет избегать источников света и его реакции будут похожи на поведение крота, прячущегося от света.

Сделать поведение робота более живым можно, подав на входы INPUT2 и INPUT3 положительный сигнал (подключить их к плюсу источника питания): робот будет двигаться при отсутствии падающего на фотосенсоры света, а "увидев" свет, будет поворачивать в сторону его источника. Когда свет будет падать на оба сенсора, робот остановится.

Дорогой Бобот, а можно ли использовать в приводимой схеме простейшего робота какие-либо другие микросхемы, например L293DNE?

Конечно, можно, но видишь ли, в чем дело, дружище Бибот. Настоящая L293D выпускается только группой компаний ST Microelectronics. Все остальные подобные микросхемы являются лишь заменителями или аналогами L293D . К таким аналогам относятся L293DNE американской компании Texas Instruments, SCP-3337 от Sensitron Semiconductor. Естественно, что, как и многие аналоги, эти микросхемы имеют свои отличия, которые тебе будет необходимо учитывать, когда ты будешь делать своего робота.

А не мог бы ты рассказать об отличиях, которые мне необходимо будет учесть при использовании L293DNE.

С удовольствием, старина Бибот. Все микросхемы линейки L293D имеют входы, совместимые с TTL-уровнями*, но лишь совместимостью уровней некоторые из них не ограничиваются. Так, L293DNE имеет не только совместимость с TTL по уровням напряжения, но и обладает входами с классической TT-логикой. То есть на неподключенном входе присутствует логическая "1".

Прости, Бобот, но я не совсем понимаю: как же мне это учитывать?

Если на неподключенном входе у L293DNE присутствует высокий уровень (логическая "1"), то и на соответствующем выходе мы будем иметь сигнал высокого уровня. Если мы теперь подадим на рассматриваемый вход сигнал высокого уровня, говоря по другому – логическую "1" (соединим с "плюсом" питания), то на соответствующем выходе ничего не изменится, так как на входе у нас и до этого была "1". Если же мы подадим на наш вход сигнал низкого уровня (соединим с "минусом" питания), то состояние выхода изменится и на нем будет напряжение низкого уровня.

То есть получается все наоборот: L293D мы управляли с помощью положительных сигналов, а L293DNE нужно управлять с помощью отрицательных.

L293D и L293DNE можно управлять как в рамках отрицательной логики, так и в рамках положительной*. Для того чтобы управлять входами L293DNE с помощью положительных сигналов, нам будет необходимо подтянуть эти входы к "земле" подтягивающими резисторами.

Тогда, при отсутствии положительного сигнала, на входе будет присутствовать логический "0", обеспечиваемый подтягивающим резистором. Хитроумные янки называют такие резисторы pull-down, а при подтягивании высокого уровня – pull-up.

Насколько я понял, все, что нам нужно будет добавить в схему простейшего робота, – так это подтягивающие резисторы на входы микросхемы драйвера моторов.

Ты совершенно правильно понял, дорогой Бибот. Номинал этих резисторов можно выбрать около 4,7 кОм. Тогда схема простейшего робота будет выглядеть следующим образом.

Причем от номинала резистора R1 будет зависеть чувствительность нашего робота. Чем сопротивление R1 будет меньше, тем чувствительность робота будет ниже, а чем оно будет больше, тем чувствительность будет выше.

А так как в данном случае нам нет необходимости управлять мотором в двух направлениях, то второй вывод мотора мы можем подключить напрямую к "земле". Что даже несколько упростит схему.

И последний вопрос. А в тех схемах роботов, которые ты привел в рамках нашей беседы, может быть использована классическая микросхема L293D?

Конечно, может. И я бы даже добавил, что использование pull-down резисторов для L293D будет вполне оправдано.

Чтобы сделать робота, "бегающего" за рукой, нам понадобятся два ярких светодиода (на схеме LED1 и LED2). Подключим их через резисторы R1 и R4, чтобы скомпенсировать протекающий через них ток и предохранить от выхода из строя. Расположим светодиоды рядом с фотосенсорами, направив их свет в ту же сторону, в которую ориентированы фотосенсоры, и уберем сигнал с входов INPUT2 и INPUT3.

Задача получившегося робота – реагировать на отраженный свет, который излучают светодиоды. Включим робота и поставим ладонь перед одним из фотосенсоров. Робот повернет в сторону ладони. Переместим ладонь немного в сторону так, чтобы она скрылась из поля "зрения" одного из фотосенсоров, в ответ робот послушно, как собачка, повернет за ладонью.
Светодиоды следует подбирать достаточно яркие, чтобы отраженный свет устойчиво улавливался фототранзисторами. Хороших результатов можно достичь при использовании красных или оранжевых светодиодов с яркостью более 1000 мКд.

Если робот реагирует на вашу руку только тогда, когда она почти касается фотосенсора, то можно попробовать поэкспериментировать с листочком белой бумаги: отражающие способности белого листа намного выше, чем у человеческой руки, и реакция робота на белый листок будет намного лучше и устойчивее.

Белый цвет обладает самыми высокими отражающими свойствами, черный – наименьшими. Основываясь на этом, можно сделать робота, следующего по линии. Сенсоры при этом следует расположить так, чтобы они были направлены вниз. Расстояние между сенсорами должно быть немного больше, чем ширина линии.

Cхема робота, следующего по черной линии, идентична предыдущей. Чтобы робот не терял черную линию, нарисованную на белом поле, ее ширина должна быть около 30 мм или шире. Алгоритм поведения робота достаточно прост. Когда оба фотосенсора улавливают отраженный от белого поля свет, робот движется вперед. Когда один из сеносоров заезжает на черную линию, соответствующий электромотор останавливается и робот начинает поворачиваться, выравнивая свое положение. После того как оба сенсора снова находятся над белым полем, робот продолжает свое движение вперед.

Примечание:
На всех рисунках роботов микросхема драйвера двигателей L293D показана условно (только управляющие входы и выходы).