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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Robot alimentado por celdas solares. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía La infancia deja una huella en cada uno de nosotros, sin importar la edad; se asocia más a menudo con el amor por los juguetes. Al parecer, el amor por juguetes como los robots se apoderó de nosotros más tarde bajo la influencia del interés general por la exploración espacial, sin embargo, cuantos más motivos nos animen a ser adictos a los robots, mejor. Este capítulo brinda la oportunidad de conocer a un pequeño y encantador amigo robot llamado Harvey. Es muy divertido jugar con él, pero es igual de divertido hacerlo tú mismo. Si bien la mayoría de los robots son altamente capaces, Harvey es menos prominente en este sentido. Es un individuo sencillo con un objetivo: seguir la línea blanca. De hecho, seguirá incansablemente el camino previsto alrededor del mundo y regresará. Además, se "alimenta" del sol. control de robots Cualquier robot debe tener movilidad, es decir, moverse de un lugar a otro, así como habilidades de navegación en el proceso de movimiento. Estos dos requisitos distintos pero relacionados se cumplen mediante dos dispositivos separados. El primero controla el movimiento mecánico del robot. Para ello se utilizan servomecanismos. Un servo es una parte mecánica de un robot, similar a los músculos humanos. Harvey requiere dos servosistemas: uno para avanzar (como el motor de un automóvil) y el otro para controlar el movimiento. El funcionamiento conjunto de estos dos sistemas no siempre es fácil de asegurar. El problema se resuelve de dos maneras. En el primero de ellos, ambas funciones se combinan en una sola. Pasemos a la figura 1 para una explicación. XNUMX.
Sistema de control de movimiento activo Para mover el carro (robot de Harvey), la forma más fácil es poner las ruedas motrices en el eje y girarlo. Diseñados para este dispositivo inventado hace mucho tiempo, incluyen transmisiones por cadena, correa trapezoidal y engranajes, transmisión directa (desde el motor). Cuando ambas ruedas giren a la misma velocidad, el robot avanzará en línea recta (naturalmente, si ambas ruedas tienen el mismo diámetro). La velocidad de movimiento del robot es proporcional a la velocidad de rotación de las ruedas. Considere el caso cuando las velocidades de rotación de las ruedas no son las mismas. Esto se puede lograr dividiendo el eje por la mitad y proporcionando a cada rueda una transmisión separada. Como antes, el robot se mueve en línea recta si ambas ruedas giran a la misma velocidad. Si la velocidad de rotación de una rueda, por ejemplo, la izquierda, disminuye, el carro girará hacia la izquierda. ¿Por qué? Toda la razón radica en el hecho de que una rueda que gira a una velocidad más baja en realidad forma un punto de apoyo (incluso si se está moviendo), alrededor del cual se mueve otra rueda con una velocidad de rotación más alta. En la práctica, si la rueda izquierda se detiene por completo, entonces el carro describirá un pequeño círculo en el lugar con un radio igual a la distancia entre las ruedas. De manera similar, la rotación lenta de la rueda derecha con respecto a la izquierda hace que el robot gire hacia la derecha. De hecho, las funciones de dos mecanismos se combinan aquí en uno. El cambio separado en la velocidad de rotación de las ruedas proporciona no solo el movimiento del carro, sino también el control de la dirección del movimiento. En muchos robots, la mayoría de las veces se utiliza una interrupción breve de la rotación de una u otra rueda y, por lo tanto, se logra el control de movimiento necesario. Este principio de movimiento va acompañado de una ligera sacudida, sin embargo, si el tiempo durante el cual la rueda no gira es lo suficientemente corto, las sacudidas se suavizan y el movimiento se vuelve relativamente suave. Control de movimiento pasivo En el segundo método, las funciones de movimiento y control están separadas. Hay un eje fijo para garantizar el movimiento en línea recta y se usa un volante delantero giratorio (o un par de ruedas) para cambiar de dirección. La conducción se basa en este principio.
Cuando la rueda giratoria está paralela a las ruedas motrices, el robot se mueve exactamente hacia adelante (Fig. 2). Gira la rueda a la izquierda y girará a la izquierda, gira a la derecha y el robot girará a la derecha, como un coche. La ventaja de este método es la presencia de un control suave. El robot puede girar gradualmente o todos a la vez, mientras que las ruedas traseras nunca deben detenerse. Por razones que se aclararán más adelante, se eligió este método para controlar el robot de Harvey. En este caso, el volante es accionado por un pequeño motor eléctrico. ектронное авление Hemos llegado a la siguiente etapa de creación de un robot: un sistema de control de seguimiento. Sin una cierta cantidad de inteligencia, Harvey simplemente "merodearía" al azar de un lado a otro. Muy a menudo, el control del motor es una cuestión de electrónica. Para "ver" la línea blanca de Harvey, se necesitan "ojos". Los ojos de Harvey son un par de fototransistores Q1 y Q2 que se muestran en la fig. 3. Un fototransistor es un transistor común al que se le quitó la parte superior de la caja y la base se iluminó con luz. La luz generalmente se enfoca en la unión p-n usando una lente, que también sirve como cubierta para la caja del transistor.
Cuando la luz llega a la región de la base, una corriente de colector fluye a través del transistor proporcional a la intensidad de la luz. En otras palabras, la señal que normalmente iría al pin de la base ahora es generada por la luz incidente. En la mayoría de los casos, incluido el nuestro, el fototransistor tiene solo dos salidas y no hay salida base. Los fototransistores están conectados a amplificadores operacionales (op-amps) de acuerdo con el circuito convertidor de corriente a voltaje. Como sabe por los conceptos básicos de la electrónica, un amplificador operacional es un amplificador de corriente. El voltaje de salida del amplificador depende de la corriente que fluye a través de la entrada inversora.En un circuito convencional, la señal de salida se retroalimenta a la entrada inversora, donde se suma la señal. Cuando la corriente de retroalimentación y la corriente de entrada son iguales, el amplificador está en un estado de equilibrio. Si se incluye una resistencia (R2 en la Fig. 3) en el circuito de retroalimentación, la caída de voltaje a través de esta resistencia será proporcional a la corriente que fluye a través de ella. Este voltaje, además, es proporcional a la señal de entrada y se toma del pin a la salida del amplificador operacional. Además, el amplificador operacional tiene otra característica interesante que aprovechamos. Esto se refiere a la presencia de entradas diferenciales. Su peculiaridad es que la señal aplicada a la entrada diferencial no inversora en realidad se restará de la señal en la entrada diferencial inversora. Se está produciendo una especie de acto de equilibrio. Cuando las corrientes de entrada en los pines 2 y 3 son iguales, se cancelan entre sí y no se necesita corriente de retroalimentación para equilibrar el circuito. Por lo tanto, la caída de tensión en la resistencia R2 es cero incluso en presencia de una señal. Las corrientes de entrada están determinadas por las corrientes de colector de los fototransistores Q1 y Q2. Con igual irradiación de transistores con luz, fluyen corrientes iguales. Dado que es imposible encontrar un par de transistores con características que coincidan perfectamente, se utiliza una resistencia variable VR1 en el circuito para eliminar la pequeña diferencia entre ambos "ojos" de Harvey. Los fototransistores se colocan en un pequeño panel como el que se muestra en la Fig. 4, y están separados por un tabique, en el que se encuentra un potente LED infrarrojo SD1.Dado que los fototransistores están cercados de esta fuente de luz, su radiación no cae directamente sobre ellos. Si acercas el dispositivo a una superficie reflectante, todo cambia. La luz se refleja desde la superficie y es detectada por fototransistores. La cantidad de luz que llega a los fototransistores depende de las propiedades ópticas de la superficie reflectante. Un principio similar subyace a la visión de Harvey. Se reflejará más luz de una superficie clara similar a un espejo que de una oscura.La superficie blanca tiene la reflectividad más alta, la reflectividad de todos los demás colores disminuye dependiendo de su coeficiente de absorción. Una superficie negra refleja la menor cantidad de luz.
Puede analizar el principio de acción de Harvey utilizando una línea blanca sobre un fondo oscuro. Primero, coloquemos el robot exactamente encima de la línea blanca, para que los fotosensores respondan por igual a la radiación IR. Entonces no habrá voltaje en la salida de IC1. Si mueve el robot hacia la izquierda o hacia la derecha, el fototransistor correspondiente se saldrá de la línea blanca y, por lo tanto, recibirá menos luz que el otro. A la salida del amplificador operacional aparecerá un voltaje de una u otra polaridad. Ahora tenemos una señal correspondiente a la posición del robot con respecto a la línea blanca cuando se mueve a lo largo de esta "carretera". El voltaje de salida del amplificador operacional se alimenta a dos comparadores, IC2 e IC3, conectados en un circuito de dos umbrales. Con esta conexión, ambas salidas tienen un potencial bajo si el voltaje de entrada se encuentra dentro de ciertos límites establecidos por el divisor en las resistencias R4, R5 y R6. Si el voltaje de salida del amplificador operacional cae por debajo del límite inferior del rango establecido, el comparador en IC3 se activa y su salida se establece en un potencial alto. La corriente base abre el transistor Q4 y conecta el motor de dirección al terminal negativo (-3 V) de la fuente de alimentación. El motor, a su vez, al cambiar el ángulo de rotación del volante, elimina el desplazamiento de la superficie receptora de luz de los fototransistores con respecto a la línea blanca. Lo mismo sucede cuando el voltaje en la salida del amplificador operacional excede el límite superior. El comparador en IC2 dispara y enciende el transistor Q3. Ahora el motor de dirección está conectado al terminal positivo (+3V) de la fuente de alimentación y gira en la dirección opuesta, compensando una vez más la guiñada. Si el voltaje de salida del amplificador operacional es cero, ambos transistores Q3 y Q4 están cerrados. Hacer robot harvey Ahora que hemos completado nuestra introducción a los sistemas básicos del robot, hemos llegado al paso largamente esperado de construir su propio robot Harvey. Construir un robot requerirá un poco más de esfuerzo que la mayoría de las manualidades de este libro, especialmente si usa una variedad de materiales disponibles. Debo confesar que simplifiqué mucho el asunto. Fui a la tienda de repuestos de radio más cercana el primer día del Año Nuevo y compré (mejor que hacerlo yo mismo) un auto de juguete a control remoto que ya tenía todos los componentes mecánicos listos. Elegí un coche averiado devuelto a la tienda después de las vacaciones que iba a tirar. El juguete no tenía una unidad transmisora, pero todos los motores y el mecanismo de control de movimiento estaban en buenas condiciones y en funcionamiento. En primer lugar, la compra ahorró mucho tiempo y dinero. Ahora que mi conciencia está tranquila y confesé cómo logré acelerar el trabajo en la creación del robot, continuemos. Primero, saca todo del auto. Es necesario dejar solo el chasis con ruedas, el motor de la rueda motriz y el dispositivo de dirección con su propio motor. El coche suele tener un compartimento para la batería. Si el automóvil tiene control remoto, guarde el receptor y el transmisor para sus futuros dispositivos caseros. En primer lugar, instale el panel con fototransistores y LED en la parte inferior y en la parte delantera del chasis del automóvil. De una pieza de plástico grueso y oscuro, corté un panel, cuya forma se muestra en la fig. 4. Si lo desea, puede instalar fototransistores y LED directamente en el chasis del automóvil, mientras que debe haber suficiente espacio libre entre el punto más bajo del chasis y los obstáculos que puedan encontrarse en el camino. Además, tenga en cuenta que cuanto más mueva el fotodetector hacia adelante, más sensible será a pequeños cambios en las condiciones de la carretera (desplazamiento de la línea blanca). Si desea comprometer la velocidad del robot y la suavidad de su movimiento, instale fototransistores más cerca de las ruedas motrices.
No olvide proteger los fototransistores del LED. Puede utilizar un pequeño trozo de plástico opaco o papel como amortiguador. El siguiente paso es montar el circuito de control. Como en el caso de la mayoría de los dispositivos descritos en este libro, se ensambla utilizando una placa de circuito impreso, cuyo esquema se muestra en la fig. 5, y la colocación de piezas - en la fig. 6. Compruebe la conexión de todas las fuentes de alimentación. No se tome el tiempo para esto, de lo contrario, el robot funcionará de manera inestable. Los motores de rueda motriz y dirección están protegidos por cadenas RC (R9, C8 y R10, C9 respectivamente). Después de montar los componentes de la radio en la placa, insértelos en el lugar de la placa del receptor de control de radio. Para el montaje final, asegure los cables del fototransistor lo más lejos posible de los cables de conexión a los motores. IC1 tiene una ganancia muy alta y puede amplificar fácilmente las señales de interferencia. Si necesita lidiar con el ruido, use un cable blindado para conectar los fototransistores. Hay suficiente espacio en el compartimento de las baterías para las baterías que alimentan a Harvey, pero su inclusión debe cambiarse de acuerdo con el diagrama, haciendo un toque desde el punto de conexión de las dos baterías. Utilice el interruptor proporcionado en el circuito eléctrico del coche de juguete. El robot requiere un juego de baterías con un voltaje total de 9 V. Por lo tanto, el espacio libre en el compartimiento de la batería se puede usar para colocar otros componentes del circuito, algunos de los cuales se describen a continuación. chequeo de salud de harvey Después de asegurarse de que la instalación es correcta, puede proceder a la primera prueba de rendimiento del robot. Con el interruptor de encendido apagado, coloque cuatro baterías recargables de níquel-cadmio en el compartimiento de las baterías. Después de encender el interruptor de palanca, el robot debe moverse hacia adelante y girar. Compruebe cuidadosamente la naturaleza del movimiento del robot. La dirección se puede probar iluminando primero con una linterna un fototransistor y luego el otro. Si el sentido de giro de algún motor es incorrecto, invierta la polaridad de la conexión de sus salidas. Ahora compruebe el trabajo del robot de Harvey en un círculo descrito por una franja blanca, que se dibuja mejor sobre un fondo negro. El radio del círculo no debe ser inferior al radio de giro del volante. Después de colocar a Harvey en la pista, enciéndalo y siga el movimiento del robot. fuente de electricidad En el diseño del robot Harvey se utilizan esencialmente dos sistemas optoelectrónicos, que difieren en el principio de funcionamiento. Ya nos hemos ocupado de uno de ellos ("visión" del robot); su funcionamiento es proporcionado por elementos fotosensibles (fototransistores) que controlan la corriente del motor de dirección.
Otro sistema optoelectrónico del robot es una batería solar que mantiene cargadas las baterías. Es difícil de creer, pero Harvey "come" una cantidad muy pequeña de electricidad. De hecho, un conjunto de baterías recargables completamente cargadas durará aproximadamente 1 hora de funcionamiento autónomo. Después de eso, el robot debe estar iluminado para reanudar la operación. Si Harvey está al sol, se recargará mientras se mueve.
Para satisfacer sus necesidades, solo se necesitan 12 celdas solares. Si bien se puede usar cualquier celda que genere 80 mA o más, he encontrado que dos tamaños son los más adecuados. Una batería de elementos del primer tamaño estándar, que se muestra en la fig. 8 está hecho de tres elementos redondos divididos en cuatro partes; estas partes están conectadas en serie con el arreglo que se muestra en la figura. El resultado es una batería de elementos dispuestos en forma de tres círculos, similar a una "mariquita". La apariencia más sólida de Harvey se obtiene utilizando 12 elementos en forma de media luna dispuestos en línea como se muestra en la fig. 9. El robot se vuelve como un insecto (ciempiés o gusano) y se desliza mientras se mueve. Por supuesto, puede hacer una batería de cualquier otra configuración. Incluso puede hacer tapas intercambiables para el robot, lo que le permite expresarse de más formas. Debe recordarse: cuanto menor sea la corriente de salida de la celda solar, más tiempo se cargarán las baterías. Si usa celdas lo suficientemente buenas, tenga cuidado de no sobrecargar las baterías. Ver cap. 10, que analiza las baterías de níquel-cadmio y sus características.
Equipo de robot adicional Hay muchas maneras de modificar aún más el robot. Por ejemplo, un robot puede verse espectacular cuando está equipado con un par de "ojos" brillantes y parpadeantes (que no debe confundirse con los verdaderos "ojos" fotosensibles). A un robot se le puede "enseñar" a hacer sonidos. Hay varios microcircuitos disponibles comercialmente que generan sonidos en una amplia gama. Ahora que Harvey (o Harrietta) está listo, es hora de divertirse. ¡Y familiaridad con la robótica! Autor: Byers T.
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