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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Robot a celle solari. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative L’infanzia lascia un segno in ognuno di noi, indipendentemente dall’età; è molto spesso associato all'amore per i giocattoli. Apparentemente, l'amore per giocattoli come i robot ci ha preso più tardi, influenzato dall'interesse generale per l'esplorazione spaziale, tuttavia, più ragioni ci spingono a interessarci ai robot, meglio è. Questo capitolo ti dà l'opportunità di incontrare un affascinante piccolo amico robot di nome Harvey. Giocarci è molto divertente, ma realizzarlo da soli non è meno interessante. Sebbene la maggior parte dei robot sia altamente capace, Harvey è meno eccezionale a questo riguardo. È un individuo schietto con un obiettivo: seguire la linea bianca. In effetti, seguirà instancabilmente il percorso previsto intorno al mondo e tornerà indietro. Inoltre, è “alimentato” dal sole. Controllo robot Qualsiasi robot deve avere mobilità, ovvero spostarsi da un luogo all'altro, nonché capacità di navigazione durante lo spostamento. Queste due esigenze diverse ma correlate vengono soddisfatte da due dispositivi separati. Il primo controlla il movimento meccanico del robot. Per questo vengono utilizzati servomeccanismi. Un servo è una parte meccanica di un robot, simile ai muscoli umani. Harvey richiede due servosistemi: uno per andare avanti (come il motore di un'auto), l'altro per controllare il movimento. Non è sempre facile garantire che questi due sistemi funzionino insieme. Il problema si risolve in due modi. Nel primo di essi, entrambe le funzioni sono combinate in una sola. Passiamo alla Fig. per la spiegazione. 1.
Sistema di controllo del movimento attivo Per spostare il carrello (robot Harvey), il modo più semplice è mettere le ruote motrici sull'asse e ruotarlo. I dispositivi destinati a questo scopo sono stati inventati molto tempo fa; tra questi rientrano le trasmissioni a catena, a cinghia trapezoidale, a ingranaggi e l'azionamento diretto (da un motore). Quando entrambe le ruote girano alla stessa velocità, il robot si muoverà in avanti in linea retta (ovviamente, se entrambe le ruote hanno lo stesso diametro). La velocità di movimento del robot è proporzionale alla velocità di rotazione delle ruote. Consideriamo il caso in cui le velocità di rotazione delle ruote non sono le stesse. Ciò può essere ottenuto dividendo l'asse a metà e dotando ciascuna ruota di una trasmissione separata. Come prima, il robot si muove in linea retta se entrambe le ruote ruotano alla stessa velocità. Se la velocità di rotazione di una ruota, ad esempio quella sinistra, diminuisce, il carrello girerà a sinistra. Perché? Il motivo è che una ruota che ruota a una velocità inferiore forma in realtà un fulcro (anche se si muove), attorno al quale si muove un'altra ruota a una velocità di rotazione più elevata. Quasi se si ferma completamente la ruota sinistra, il carrello descriverà un piccolo cerchio sul posto con un raggio pari alla distanza tra le ruote. Allo stesso modo, la rotazione lenta della ruota destra rispetto a quella sinistra fa girare il robot verso destra. In effetti, le funzioni di due meccanismi sono combinate qui in uno solo. La variazione separata della velocità delle ruote garantisce non solo il movimento del carrello, ma anche il controllo della direzione del movimento. In molti robot, molto spesso utilizzano un arresto a breve termine della rotazione dell'una o dell'altra ruota e ottengono così il necessario controllo del movimento. Questo principio di movimento è accompagnato da un leggero scuotimento, tuttavia, se il tempo durante il quale la ruota non gira è sufficientemente breve, gli scatti si attenuano e il movimento diventa relativamente fluido. Controllo passivo del movimento Nel secondo metodo le funzioni di movimento e controllo sono separate. C'è un asse fisso per fornire un movimento in linea retta e un volante anteriore (o una coppia di ruote) viene utilizzato per cambiare direzione. La guida si basa su questo principio.
Quando il volante è parallelo alle ruote motrici, il robot si muove in avanti (Fig. 2). Gira il volante a sinistra e girerà a sinistra, giralo a destra e il robot girerà a destra, proprio come una macchina. Il vantaggio di questo metodo è la presenza di un controllo regolare. Il robot può girare gradualmente o tutto in una volta, senza mai fermare le ruote posteriori. Per ragioni che risulteranno chiare in seguito, questo metodo è stato scelto per controllare il robot Harvey. In questo caso il volante è azionato da un piccolo motore elettrico. Controllo elettronico Siamo arrivati alla fase successiva della creazione di un robot: un sistema di controllo del tracciamento. Senza una certa dose di intelligenza, Harvey semplicemente "setacciava" casualmente da una parte all'altra. Molto spesso, il controllo del motore è una questione di elettronica. Per "vedere" la linea bianca di Harvey sono necessari gli "occhi". Gli occhi di Harvey sono una coppia di fototransistor Q1 e Q2 mostrati in Fig. 3. Un fototransistor è un normale transistor in cui la parte superiore del corpo viene rimossa e la base è illuminata dalla luce. La luce viene solitamente focalizzata sulla giunzione pn utilizzando una lente che funge anche da copertura per il corpo del transistor.
Quando la luce colpisce la regione di base, attraverso il transistor scorre una corrente di collettore proporzionale all'intensità della luce, ovvero il segnale normalmente applicato al terminale di base viene ora generato dalla luce incidente. Nella maggior parte dei casi, incluso il nostro, il fototransistor ha solo due terminali e non esiste un terminale di base. I fototransistor sono collegati agli amplificatori operazionali (amplificatori operazionali) utilizzando un circuito convertitore corrente-tensione. Come sai dall'elettronica di base, un amplificatore operazionale è un amplificatore di corrente. La tensione di uscita dell'amplificatore dipende dalla corrente che scorre attraverso l'ingresso invertente. In un circuito di commutazione convenzionale, il segnale di uscita viene ricondotto all'ingresso invertente, dove il segnale viene sommato. Quando la corrente di feedback e la corrente di ingresso sono uguali, l'amplificatore è in uno stato di equilibrio. Se nel circuito di retroazione è incluso un resistore (R2 in Fig. 3), la caduta di tensione su questo resistore sarà proporzionale alla corrente che lo attraversa. Questa tensione è inoltre proporzionale al segnale di ingresso e viene rimossa dal pin all'uscita dell'amplificatore operazionale Inoltre, l'amplificatore operazionale ha un'altra caratteristica interessante, di cui abbiamo approfittato. Ciò significa la presenza di ingressi differenziali. La loro particolarità è che il segnale applicato all'ingresso differenziale non invertente verrà effettivamente sottratto dal segnale all'ingresso differenziale invertente. C'è qualcosa di simile a un atto di bilanciamento in corso. Quando le correnti di ingresso sui pin 2 e 3 sono uguali, si annullano e non è necessario alcun feedback per bilanciare il circuito di corrente. Pertanto, la caduta di tensione sul resistore R2 è zero anche in presenza di un segnale. Le grandezze delle correnti di ingresso sono determinate dalle correnti di collettore dei fototransistor Q1 e Q2. Con uguale irradiazione dei transistor con luce, fluiscono correnti uguali. Poiché è impossibile selezionare una coppia di transistor con caratteristiche perfettamente corrispondenti, nel circuito viene utilizzato un resistore variabile VR1 per eliminare la leggera differenza tra i due "occhi" di Harvey. I fototransistor sono posti su un pannellino simile a quello mostrato in Fig. 4, e sono separati da un divisorio sul quale è posizionato un potente LED infrarosso SD1, dal quale i fototransistor sono isolati da questa sorgente luminosa, la sua radiazione non li colpisce direttamente. Se avvicini il dispositivo ad una superficie riflettente, tutto cambia. La luce viene riflessa dalla superficie e rilevata dai fototransistor. La quantità di luce che raggiunge i fototransistor dipende dalle proprietà ottiche della superficie riflettente. Un principio simile è alla base della visione di Harvey. Da una superficie chiara a specchio verrà riflessa più luce che da una scura. La superficie bianca ha la maggiore riflettività, mentre la riflettività di tutti gli altri colori diminuisce a seconda del loro coefficiente di assorbimento. Una superficie nera riflette la minima quantità di luce.
Il principio di funzionamento di Harvey può essere analizzato utilizzando una linea bianca su sfondo scuro. Per prima cosa posizioniamo il robot esattamente sopra la linea bianca, in modo che i sensori fotografici rispondano allo stesso modo alla radiazione IR. Quindi non ci sarà tensione all'uscita del circuito IC1. Se muovi il robot a sinistra o a destra, il fototransistor corrispondente si allontanerà dalla linea bianca e quindi riceverà meno luce rispetto all'altro. All'uscita dell'amplificatore operazionale apparirà una tensione di una polarità o dell'altra. Ora abbiamo un segnale corrispondente alla posizione del robot rispetto alla linea bianca mentre si muove lungo questa "autostrada". La tensione di uscita dell'amplificatore operazionale viene fornita a due comparatori, IC2 e IC3, collegati secondo un dispositivo a due soglie.Quando collegati in questo modo, entrambe le uscite sono a basso potenziale se la tensione di ingresso rientra nei limiti stabiliti dal partitore tra i resistori R4, R5 e R6. Se la tensione di uscita dell'amplificatore operazionale diventa inferiore al limite inferiore dell'intervallo impostato, viene attivato il comparatore sul chip IC3 e la sua uscita viene impostata su un potenziale elevato. La corrente di base apre il transistor Q4 e collega il motore dello sterzo al terminale negativo (-3 V) dell'alimentatore. Il motore, a sua volta, modificando l'angolo di rotazione del volante, elimina lo spostamento della superficie di ricezione della luce dei fototransistor rispetto alla linea bianca. La stessa cosa accade quando la tensione di uscita dell'amplificatore operazionale supera il limite superiore. Il comparatore sul chip IC2 viene attivato e accende il transistor Q3. Il motore dello sterzo è ora collegato al terminale positivo (+3 V) dell'alimentazione e ruota nella direzione opposta, compensando ancora una volta l'imbardata. Se la tensione di uscita dell'amplificatore operazionale è zero, entrambi i transistor, Q3 e Q4, sono spenti. Fare Robot Harvey Ora che abbiamo completato la nostra introduzione ai sistemi di base del robot, siamo arrivati al passo tanto atteso: costruire il tuo robot Harvey. Creare un robot richiederà uno sforzo leggermente maggiore rispetto alla maggior parte dei lavori descritti in questo libro, soprattutto se utilizzi vari materiali a portata di mano. Devo ammettere che ho semplificato moltissimo la questione. A Capodanno sono andato al negozio di ricambi per radio più vicino e ho comprato (è meglio che farsela da solo) un'auto giocattolo telecomandata che aveva già tutti i componenti meccanici pronti. Ho scelto un veicolo difettoso che era stato restituito al negozio dopo le vacanze e stava per essere buttato. Al giocattolo mancava un'unità trasmittente, ma tutti i motori e il meccanismo di controllo del movimento erano intatti e funzionanti. Innanzitutto, l'acquisto ha consentito di risparmiare molto tempo e denaro. Ora che ho la coscienza a posto e ho confessato come sono riuscito ad accelerare i lavori per la realizzazione del robot, proseguiamo. Innanzitutto, rimuovi tutto ciò che non è necessario dall'auto. È necessario lasciare solo il telaio con ruote, il motore delle ruote motrici e il dispositivo di sterzo con motore proprio. L'auto di solito ha un vano batteria. Se l'auto è telecomandata, conserva il ricevitore e il trasmettitore per i tuoi futuri dispositivi fai-da-te. Innanzitutto, installa un pannello con fototransistor e un LED nella parte inferiore e anteriore del telaio dell'auto. Da un pezzo di plastica spessa e scura ho tagliato un pannello, la cui forma è mostrata in Fig. 4. Se lo si desidera, i fototransistor e i LED possono essere montati direttamente sul telaio del veicolo, garantendo uno spazio sufficiente tra il punto più basso del telaio e gli eventuali ostacoli che si possono incontrare lungo il percorso. Inoltre, tenere presente che più si sposta in avanti il fotorilevatore, più sarà sensibile ai piccoli cambiamenti delle condizioni stradali (offset dalla linea bianca). Se vuoi scegliere un compromesso tra la velocità di risposta del robot e la sua fluidità, installa i fototransistor più vicino alle ruote motrici.
Non dimenticare di separare i fototransistor dal LED. Puoi usare un piccolo pezzo di plastica opaca o di carta come otturatore. Il prossimo passo è assemblare il circuito di controllo. Come la maggior parte dei dispositivi descritti in questo libro, è assemblato utilizzando un circuito stampato, il cui schema è mostrato in Fig. 5, e il posizionamento delle parti è in Fig. 6. Verificare che tutte le fonti di alimentazione siano collegate saldamente. Prenditi il tempo necessario per farlo, altrimenti il robot funzionerà instabilmente. I motori della ruota motrice e dello sterzo sono protetti da catene RC (rispettivamente R9, C8 e R10, C9). Dopo aver installato i componenti radio sulla scheda, inserirla al posto della scheda ricevente del radiocomando. Durante l'assemblaggio finale, fissare i cavi del fototransistor il più lontano possibile dai cavi di collegamento ai motori. IC1 ha un guadagno molto elevato e può facilmente amplificare i segnali interferenti. Se è necessario combattere il rumore, utilizzare un cavo schermato per collegare i fototransistor. Nel vano batterie c'è spazio sufficiente per le batterie che forniscono energia elettrica ad Harvey, ma la loro connessione deve essere modificata secondo lo schema sopra riportato, effettuando un tocco dal punto in cui si collegano le due batterie. Usa l'interruttore che si trova nel circuito elettrico della macchinina. Per far funzionare il robot è necessario un set di batterie con una tensione totale di 9 V. Pertanto, lo spazio libero nel vano batterie può essere utilizzato per ospitare altri componenti del circuito, alcuni dei quali verranno discussi di seguito. Controllo sanitario Harvey Dopo esserti accertato che l’installazione sia corretta, puoi procedere al primo controllo della funzionalità del robot. Con l'interruttore di alimentazione spento, inserire quattro batterie ricaricabili al nichel-cadmio nel vano di alimentazione. Dopo aver acceso l'interruttore a levetta, il robot dovrebbe avanzare e girare. Controllare attentamente lo schema di movimento del robot. Lo sterzo può essere testato puntando una torcia prima su un fototransistor, poi sull'altro. Se il senso di rotazione di un motore non è corretto, invertire la polarità dei suoi terminali. Ora controlla il lavoro del robot Harvey su un cerchio descritto da una striscia bianca, meglio disegnata su uno sfondo nero. Il raggio del cerchio non deve essere inferiore al raggio di rotazione del volante. Dopo aver posizionato Harvey sulla pista, accendi la corrente e osserva il robot muoversi. Fonte di energia elettrica Il progetto del robot Harvey utilizza essenzialmente due sistemi optoelettronici che differiscono nei principi di funzionamento. Di uno di essi ci siamo già occupati (la “visione” del robot); il suo funzionamento è assicurato da elementi fotosensibili (fototransistor), che controllano la corrente del motore dello sterzo.
L'altro sistema optoelettronico del robot è una batteria solare che mantiene le batterie cariche. È difficile da credere, ma Harvey "si alimenta" con una quantità molto piccola di elettricità. Infatti, un set di batterie completamente cariche sarà sufficiente per garantire un funzionamento autonomo per circa 1 ora, dopodiché il robot dovrà essere illuminato per riprendere a funzionare. Se Harvey è al sole, si ricaricherà durante la guida.
Per soddisfare le sue esigenze sono necessarie solo 12 celle solari. Sebbene sia possibile utilizzare qualsiasi elemento che generi 80 mA o più corrente, ho trovato due dimensioni che funzionano meglio. Una batteria di celle della prima dimensione standard, mostrata in Fig. 8, composto da tre elementi tondi divisi in quattro parti; queste parti sono collegate in serie mantenendo la disposizione mostrata in figura. Il risultato è una batteria di elementi disposti a forma di tre cerchi, simili ad una “coccinella”. Harvey ottiene un aspetto più solido utilizzando 12 elementi a forma di mezzaluna disposti in linea come mostrato in Fig. 9. Il robot diventa come un insetto (millepiedi o verme) e sembra scivolare quando si muove. Naturalmente, puoi creare una batteria con qualsiasi altra configurazione. Potresti anche rendere intercambiabili i cappucci del robot, dandogli più modi di esprimersi. È importante ricordare: minore è la corrente di uscita della cella solare, maggiore sarà il tempo necessario per caricare le batterie. Se utilizzi celle sufficientemente buone, assicurati che le batterie non siano sovraccaricate. Fare riferimento al Cap. per un consiglio. 10 per una discussione sulle batterie al nichel-cadmio e sulle loro caratteristiche.
Attrezzatura robotica aggiuntiva Esistono molti modi per modificare ulteriormente il robot. Ad esempio, un robot assume un aspetto molto impressionante se è dotato di un paio di “occhi” luminosi e lampeggianti (da non confondere con i veri “occhi” fotosensibili). A un robot può essere “insegnato” a emettere suoni. Sono disponibili in vendita numerosi microcircuiti che generano suoni in un'ampia gamma. Ora che Harvey (o Harriette) è pronto, è tempo di divertirsi. E introduzione alla robotica! Autore: Byers T.
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