Роботостроение и создание различных систем автоматики вызывает большой интерес не только у профессионалов, но и у начинающих радиолюбителей.
Стремительный рост технологий отразился на современном рынке радиоэлектронных компонентов. Огромный выбор различных микроконтроллеров, датчиков, реле, плат-расширения позволяет подобно конструктору создать сложное техническое решение в домашних условиях.
Если раньше для создания и внедрения системы «Умный дом» необходимо было обращаться в специализированные фирмы, то сейчас большинство элементов можно собрать самостоятельно. Любительская робототехника не отстает от промышленных образцов. Собранный домашний робот будет ездить по заданной траектории, заряжаться от солнечной панели, измерять температуру/влажность окружающей среды, производить фотографирование местности. Это далеко не полный перечень того, что можно добавить, но данная модель уже похожа по функциональности и логике, например на космический аппарат Curiosity, который исследует планету Марс.
В наши дни стали снова возрождаться радиотехнические кружки, где под руководством опытных учителей, молодое поколение осваивает роботостроение. Это не только развлечение, но и большая умственная работа, требующая знания математики, физики, информатики.
Многие работы можно найти в сети Интернет. Некоторое заслуживают отдельного внимания:

  1. Луноход из Озерска
  2. Модель марсохода MSL Curiosity

Рассмотрим основные моменты, которые понадобятся нам при проектировании и сборке робота.

Планирование бюджета

Работы по проектированию и сборке робота начинаются с планирования бюджета. В зависимости от функциональности и используемой технической базы конечная стоимость робота может быть высокой.
Для большинства проектов можно использовать не только оригинальные запчасти, но и их аналоги(копии). Это значительно удешевит проект. Многие предпочитают заказывать детали в Китайских интернет-магазинах. Стоимость заказа с бесплатной доставкой выглядит более привлекательно, чем покупка этих же деталей, но с большой наценкой в России.

Выбор платформы робота

4WD_platform
Самыми распространенными и недорогими платформами являются колесные и гусеничные. Для данных платформ существует множество готовых компонентов, поэтому они идеально подойдут в качестве начального проекта.
Колесная платформа может иметь любое количество колес. Наиболее распространенные — трех и четырех колесные модели (2WD, 4WD). Из-за небольшой площади соприкосновения с поверхностью колесная платформа может проскальзывать.
4WD_platform Для уменьшения потери сцепления можно использовать резиновые шины.
Повышенной проходимостью обладают гусеничные платформы. Они исключают скольжение, могут преодолевать различные искусственные и природные препятствия. Недостатком платформы является сложная механическая установка.
Роботы с конечностями могут стабильно перемещаться по очень неровным поверхностям. Но самым главным недостатком данной платформы является сложность кодирования и высокая конечная стоимость.
Современный рынок предлагает множество готовых решений воздушных роботов. Особой популярностью пользуются квадрокоптеры и вертолеты. kvadrokopter Воздушные роботы идеально подходят для наблюдения и съемки поверхности с высоты, исследования труднодоступных мест. Некоторые компании активно ведут разработку и возможность использования воздушных платформ для доставки товаров. Существенный недостаток воздушной платформы — это частичная, а в большинстве случаев, полная потеря всей конструкции при аварии.
arm_robot Для увеличения функциональности существующих видов платформ используют различного рода манипуляторы. Манипуляторы могут быть снабжены как одной так и десятком уникальных степеней свободы.
Водные платформы не получили широкого распространения. В основном используются в научных и промышленных сферах.

Выбор двигателя для робота

Для приведения в движение большинства из рассмотренных выше платформ необходим двигатель (электромотор). Это устройство которое преобразует электрическую энергию в механическую. Выбор двигателей зависит от способа передвижения робота. motor_reductor Для колесных или гусеничных платформ подойдет мотор-редуктор постоянного тока. Редуктор в данном случае позволяет регулировать крутящий момент. Вал с обеих сторон мотора позволяет установить энкодер, который помогает определять угол поворота и пройденное расстояние колесом. Мощность двигателя рассчитывается исходя из веса самого робота.
step_motor Шаговой двигатель осуществляет перемещение равными шагами. Шаговые двигатели управляются импульсами. Каждый импульс преобразуется в градус, на который происходит вращение. Данный вид двигателя ставится в роботах, где необходим предельно точный угол движения.
servo_motor Сервомотор состоит из двигателя постоянного тока, редуктора, электроники и поворотного потенциометра, который измеряет угол. Угол вращения составляет примерно 180 градусов. Сервомоторы обычно используют в роботах-манипуляторах, роботах с конечностями.
На практике многие модели роботов содержат разные типы двигателей. Для централизованного управления используются драйверы двигателей (Motor shield).

Выбор контроллера (драйвера) двигателей

Для преобразования управляющих сигналов малой мощности в токи, достаточные для управления моторами используют драйверы двигателей (Motor Shield) motor_shield_L298 Драйвер двигателя может только определить скорость и направление движения мотора, но не может управлять ими непосредственно из-за ограниченной выходной мощности. Поэтому использование драйвера двигателя без микроконтроллера невозможно. Логика современных драйверов двигателей позволяет управлять различными типами моторов как по раздельности, так и одновременно. При выборе драйвера необходимо обращать внимание на номинальное напряжение и силу тока. motor_shield_v2
В характеристиках обычно указывается диапазон входного напряжения и сила тока, на который он рассчитан. Несмотря на встроенные системы защиты от перегрузок не стоит подключать 5В двигатель к 3В контроллеру.
Выбор контроллера (драйвера двигателей) необходимо делать после того, как будет определен и утвержден тип двигателей, которые планируется установить в роботе.

Выбор системы управления

Существует несколько способов управления роботом:

Проводное управление
Самый простой способ управления роботом — проводной. Пульт управления соединяется с роботом при помощи кабеля. Не требует сложных электронных компонентов. Существенным недостатком является ограниченное перемещение. Дальность управления целиком зависит от длины кабеля. слишком длинный кабель будет постоянно цепляться и запутываться.

Беспроводное управление

Инфракрасный сигнал

Для управления роботом используется пульт. В некоторых случаях можно настроить обычный ТВ-пульт. На роботе устанавливается ИК-датчик, который подсоединяется к микроконтроллеру и передает ему управляющие сигналы. Как и при использовании пульта к ТВ, управление роботом может осуществляться на ограниченном расстоянии в прямой видимости ИК-датчика.

Bluetooth

При использовании технологии Bluetooth управление роботом становиться возможным при помощи Bluetooth-совместимых устройств (планшет, мобильный телефон, компьютер). Нет необходимости находится в прямой видимости передатчика, хотя Bluetooth имеет ограниченный диапазон работы (около 10-15 м).

Wi-Fi

Управление роботом может осуществляться из любого места, где есть доступ к сети Интернет. Необходимо только подключение wi-fi модуля робота к роутеру, имеющим выход в сеть Интернет.

GPRS/GPS

GPS используется для обнаружения расположения робота. При помощи навигации можно рассчитать курс и расстояние маршрутной точки.
GSM платы предоставляют возможность звонить и принимать звонки с других телефонов, отправлять SMS на заданный номер при нажатии на определенную кнопку. Таким образом отправляя SMS с своего мобильного телефона мы сможем передавать роботу команды через GSM сеть. При этом сам робот может находится в любой точке где есть покрытие GSM сети.

Выбор микроконтроллера

Как мы все уже знаем микроконтро́ллер это микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Он представляет из себя однокристальный компьютер, способный выполнять относительно простые задачи. Для взаимодействия с внешним миром микроконтроллер снабжен контактами, на которых электрический сигнал может быть включен (1) или выключен (0). Выводы могут быть использованы для чтения электрических сигналов, поступающих от различных устройств и датчиков.
Современные микроконтроллеры имеют интегрированный регулятор напряжения. Это позволяет микроконтроллеру работать в широком диапазоне напряжений, который не требуют от нас подачи точного рабочего напряжения.
Существует великое множество микроконтроллеров, которые могут быть использованы, но широкое распространение в наши дни получила аппаратная платформа Arduino. arduino_UNO Из-за кросс-платформенности, низкой стоимости, открытой архитектуре и простоте языка программирования Arduino стала пользоваться огромной популярностью среди новичков и профессионалов.
Популярные проекты где применяется платформа Arduino — это построение простых систем автоматики и робототехники. С помощью данной платформы можно организовать умный дом, построить домашнюю метеостанцию, освоить роботостроение.

Телеметрия

Для изучения и измерения окружающего мира вокруг робота используются всевозможные виды датчиков. С их помощью мы сможем узнать местоположение нашего робота, определить расстояние до объектов, измерить температуру/влажность/давление, сделать снимок местности и т.д.
Правильно подобранная плата расширения значительно упростит процесс добавления новых видов датчиков и избавит нас от необходимости изменения заложенной логики на этапе проектирования.
Рассмотрим основные виды датчиков, доступные по цене и простоте программирования:

Датчики пространства

Ультразвуковой дальномер

Источник ультразвука испускает импульсный сигнал, а приемник улавливает отражения сигнала от различных препятствий. hc-sr04 Расстояние до объекта определяется на основании анализа времени прохождения сигнала туда и обратно. В отличие от инфракрасных дальномеров на ультразвуковой датчик не влияют источники света или цвет препятствия. Самый популярный ультразвуковой дальномер для радиолюбителей — HC-SR04. Он способен измерять расстояние в диапазоне от 2 до 450 см.

ИК-датчик расстояния
SHARP-GP2Y0A710K0F
Принцип работы состоит в анализе отраженного инфракрасного излучения светодиода датчика от окружающих предметов.
Предназначен для установки в механических приборах для определения расстояния до подвижных деталей конструкции. Оптоэлектронный датчик расстояния Sharp GP2Y0A21YK0F удобно использовать в робототехнических проектах. Расстояние обнаружения составляет от 100 до 550 см. Позволит предотвратить столкновение робота с препятствием.

Датчики положения

Гироскоп позволит определить положение и перемещение прибора в пространстве: углы крена, дифферента (тангажа) ориентируясь по вектору силы тяжести и скорости вращения. При перемещении определяет линейное ускорение и угловую скорость вокруг собственных осей X, Y и Z и дает полную картину положения.
MPU6050
Наиболее распространенный модуль на основе чипа MPU6050. Модуль состоит из акселерометра, гироскопа и температурного сенсора.

Климатические датчики

Цифровой датчик температуры и влажности позволяет измерять температуру и влажность окружающей среды.

dht11_dht22

Самые распространенные датчики: DHT11 и DHT22. По сравнению с датчиком DHT11, датчик DHT22 обладает высокой точностью измерения и позволяет измерять температуры ниже 0.

Датчик давления позволяет измерять атмосферное давление. К самым доступным датчикам давления относят датчик BMP180. Датчика имеет I2C интерфейс поэтому его можно подключить к любой платформе из семейства Arduino.
BMP180

Датчики газа

Газовые анализаторы позволяют обнаружить утечки пропана, бутана, метана и водорода. Также могут быть использованы для контроля задымленности помещений. В результате измерений датчик генерирует аналоговый сигнал, пропорциональный содержанию газа. Качество измерений зависит температуры и влажности окружающей среды. Таким набором характеристик обладает датчик широкого спектра газов MQ-2.
MQ-2

Датчики света

Датчик освещенности позволит нашему роботу отличать день от ночи, солнечную погоду от пасмурной, тень от света. При грамотной настройке и доработке схемы подключения позволит ориентировать солнечные панели аппарата на солнце.
Светочувствительный датчик