Дитинство залишає слід у кожному з нас незалежно від віку; воно найчастіше асоціюється з любов’ю до іграшок. Мабуть, любов до таким іграшкам, як роботи, заволоділа нами пізніше під впливом загального інтересу до дослідження космосу, однак, чим більше причин спонукає нас захоплюватися роботами, тим краще. У цій главі надається можливість зустрітися з маленьким чарівним роботом-іншому по імені Харві. Гра з ним доставляє масу задоволень, але не менш цікаво зробити його самому.

Хоча більшість роботів володіють широкими можливостями, Харві в цьому сенсі менш видатний. Він прямодушний індивідуум, що має одну мету: слідувати уздовж білої лінії. Фактично він буде невтомно йти наміченим шляхом навколо земної кулі і повернеться назад. Крім того, він «харчується» від сонця.

Будь робот повинен володіти рухливістю, тобто пересуватися з місця на місце, а також навігаційними здібностями в процесі руху. Ці два різних, але взаємопов’язаних вимоги виконуються за допомогою двох окремих пристроїв. Перше управляє механічним переміщенням робота. Для цього використовуються сервомеханізми.

Сервопривід – це механічна частина робота, аналогічна м’язам людини. Для Харві потрібні дві сервосистеми: одна – для руху вперед (подібно двигуну автомашини), інша – Для управління рухом. Спільну роботу цих двох систем не завжди просто забезпечити. Проблема вирішується двома способами. У першому з них обидві функції об’єднані в одну. Звернемося для пояснення до рис. 1.

Рис. 1

Щоб пересувати візок (робот Харві), найпростіше насадити ведучі колеса на вісь і обертати її. Призначені для цього пристрою винайдені давно, до них відносяться ланцюгові, кліноременним і шестереночние передачі, прямий привід (від мотора). При обертанні обох коліс з однаковою швидкістю робот буде рухатися вперед по прямій лінії (природно, якщо обидва колеса однакового діаметру). Швидкість пересування робота пропорційна швидкості обертання коліс.

Розглянемо випадок, коли швидкості обертання коліс неоднакові. Цього можна досягти, розділивши вісь навпіл і забезпечивши кожне колесо окремим приводом. Як і колись, робот переміщається по прямий, якщо обидва колеса обертаються з однаковою швидкістю.

Якщо швидкість обертання одного колеса, наприклад лівого, зменшиться, візок поверне наліво. Чому? Вся причина полягає в тому, що колесо, що обертається з меншою швидкістю, фактично утворює точку опори (нехай навіть і перемещающуюся), навколо якої рухається інше колесо з більшою швидкістю обертання. Практично якщо повністю зупинити ліве колесо, то візок буде описувати на місці невелике коло радіусом, рівним відстані між колесами.

Подібним же чином уповільнене обертання правого колеса відносно лівого приводить до повороту робота направо. Фактично тут об’єднуються функції двох механізмів в одному. Роздільне зміна швидкості обертання коліс забезпечує не тільки пересування візка, але і керування напрямком руху.

У багатьох роботах найчастіше використовується короткочасне відключення обертання то одного, то іншого колеса і тим самим досягається необхідне управління рухом. Таким принципом руху супроводжує невелика тряска, однак, якщо час, протягом якого колесо не обертається, досить мало, ривки згладжуючи * ются і рух стає відносно плавним

У другому методі функції пересування і управління розділені. Для забезпечення прямолінійного руху є одна фіксована вісь, а для зміни напрямку використовується переднє поворотне рульове колесо (або пара коліс). На цьому принципі засновано керування автомобілем.

Рис. 2

Коли поворотне колесо розташовується паралельно провідним колесам, робот пересувається точно вперед (рис. 2). Поверніть колесо вліво – і він поверне наліво, поверніть вправо – робот поверне направо, зовсім як автомобіль.

Перевагою даного методу є наявність плавного управління. Робот може повертатися поступово або відразу, при цьому задні колеса ніколи не повинні зупинятися.

З причин, які стануть зрозумілими пізніше, цей метод і був обраний для керування роботом Харві. У цьому випадку рульове колесо приводиться в рух невеликим електромотором.

Ми прийшли до наступного етапу створення робота – стежить керуючої системі. Без певної частки тямущі Харві просто безладно «нишпорив» б з боку в бік. Найчастіше управління мотором – справа електроніки.

Щоб «бачити» білу лінію Харві, необхідні «очі». Очі Харві – пара фототранзисторів Q1 і Q2, показані на мал. 3. Фототранзистор – це звичайний транзистор, у якого верхня частина корпусу видалена, а база освітлюється світлом. Світло зазвичай фокусується на р-я-переході за допомогою лінзи, яка одночасно служить кришкою для корпусу транзистора.

Рис. 3

Коли світло падає на базову область, через транзистор тече колекторний струм, пропорційний інтенсивності світла Іншими словами, сигнал, зазвичай поступає на висновок бази, генерується тепер падаючим світлом. У більшості випадків, до яких належить і наш, фототранзистор має лише два висновки, а висновок бази відсутня.

Фототранзистори підключені до операційних підсилювачів (ОУ) за схемою перетворювача струм-напруга. Як відомо з основ електроніки, операційний підсилювач є підсилювачем струму.

Вихідна напруга підсилювача залежить від струму, що протікає через інвертується вхід При звичайній схемі включення вихідний сигнал подається назад на інвертується вхід, на якому відбувається підсумовування сигналу. При рівності струму зворотного зв’язку та вхідного струму підсилювач знаходиться в стані рівноваги. Якщо в ланцюг зворотного зв’язку включити резистор (R2 на рис. 3), падіння напруги на цьому резисторі буде пропорційно протікає через нього струму. Це напруга, крім того, пропорційно вхідному сигналу і знімається з виведення на виході ОП

До того ж ОУ має ще одну цікаву особливість, якої ми скористалися. Мається на увазі наявність диференційних входів. Особливість їх полягає в тому, що сигнал, поданий на неінвертуючий диференціальний вхід, фактично буде відніматися з сигналу на інвертується диференціальному вході. Відбувається щось подібне до урівноваження.

Коли вхідні струми на висновках 2 і 3 рівні, вони взаємно знищуються і для балансування схеми струму зворотного зв’язку не потрібно. Отже, падіння напруги на резисторі R2 дорівнює нулю навіть при наявності сигналу.

Величини вхідних струмів визначаються колекторними струмами фототранзисторів Q1 і Q2. При рівній опромінення транзисторів світлом течуть рівні струми. Оскільки неможливо підібрати пару транзисторів з ідеально співпадаючими характеристиками, то для усунення невеликого відмінності між обома «очима» Харві в схемі використовується змінний резистор VR1.

Фототранзистори розміщуються на невеликій панелі, подібної показаної на рис. 4, і розділяються перегородкою, на якій розташований потужний інфрачервоний світлодіод СД1 Оскільки фототранзистори відгороджені від цього джерела світла, його випромінювання безпосередньо на них не потрапляє. Якщо ж наблизити пристрій до поверхні, що відбиває, все зміниться. Світло відбивається від поверхні і детектується фототранзисторами. Кількість потрапляє на фототранзистори світла залежить від оптичних властивостей поверхні, що відбиває. Подібний принцип лежить в основі зору Харві.

Від дзеркальної світлої поверхні відіб’ється більше світла, ніж від темної Найбільшою здатністю, що відображає володіє поверхню білого кольору, що відображає здатність всіх інших квітів зменшується в залежності від їх коефіцієнта поглинання. Поверхня чорного кольору відображає найменше світла.

Рис. 4

Проаналізувати принцип дії Харві можна за допомогою білої лінії на темному тлі. Для початку помістимо робот точно над білою лінією, так щоб фотодатчики однаково реагували на ІЧ-випромінювання. Тоді на виході схеми IC1 напруги не буде. Якщо зрушити робот вліво і іі вправо, відповідний фототранзистор зміститься з білої лінії і, отже отримає менше світла в порівнянні з іншим. На виході операційного підсилювача з’явиться напруга тієї чи іншої полярності.

Тепер у нас є сигнал, відповідний положенню робота щодо білої лінії при його русі по цьому «шосе».

Вихідна напруга операційного підсилювача подається на два компаратора, IС2 і Iсз, включені за схемою двухпорогового пристрої При такому включенні на обох виходах – низький потенціал, якщо вхідна напруга лежить в певних межах, установлених дільником на резистора R4, R5 і R6.

Якщо вихідна напруга ОП стає менше нижньої межі встановленого діапазону, компаратор на мікросхемі Iсз спрацьовує і на його виході встановлюється високий потенціал. Базовим струмом відкривається транзистор Q4 та приєднує рульової мотор до негативного висновку (-ЗВ) джерела живлення. Мотор в свою чергу, змінюючи кут повороту рульового колеса, усуває зсув світлоприймальної поверхні фототранзисторів щодо білої лінії.

Те ж саме відбувається, коли напруга на виході ОП перевищує верхню межу. Спрацьовує компаратор на мікросхемі IC2 і включає транзистор Q3. Тепер рульової мотор підключається до позитивного висновку (+ ЗВ) джерела живлення і обертається в протилежному напрямку, ще раз компенсуючи відхилення від курсу. Якщо вихідна напруга ОП дорівнює нулю, обидва транзистора, Q3 і Q4, закриті.

Тепер, закінчивши знайомство з основними системами робота, ми підійшли до давно вже очікуваному етапу конструювання вашого власного робота Харві. Створення робота зажадає кілька більше зусиль, ніж більшість саморобок, описаних в цій книзі, особливо якщо використовувати різні підручні матеріали. Повинен зізнатися, що я суттєво спростив справу.

Я зайшов у найближчий магазин радіодеталей в перший день Нового року і купив (це краще, ніж робити його самому) іграшковий телекерований автомобіль, що має вже всі готові механічні вузли. Я вибрав несправний, повернутий у магазин після свят автомобіль, який збиралися викинути. В іграшці відсутній блок передавача, але всі мотори і механізм управління рухом були справні і знаходилися в робочому стані. Перш за все покупка заощадила багато часу і грошей.

Тепер, коли моя совість чиста і я зізнався, яким чином мені вдалося прискорити роботу над створенням робота, давайте продовжимо. Спочатку вийміть все зайве з автомобіля. Необхідно залишити тільки шасі з колесами, мотор ведучих коліс і пристрій рульового керування зі своїм мотором. В автомобілі зазвичай є відсік для батарейок. Якщо автомобіль телекерований, збережіть приймач і передавач для ваших майбутніх саморобних пристроїв.

Першим ділом встановіть знизу і в передній частині шасі автомобіля панель з фототранзисторами і світлодіодом. З шматка товстого темного пластика я вирізав панель, форма якої показана на рис. 4.

При бажанні можна встановити фототранзистори і світлодіод безпосередньо на шасі автомобіля, при цьому має бути забезпечений достатній зазор межу самій нижній точкою шасі і перешкодами, які можуть зустрітися на шляху. Крім того, майте на увазі, що, чим більше ви висунете фотоприймальні пристрій вперед, тим більш чутливим воно буде до невеликих змін дорожніх умов (до зміщення відносно білої лінії). Якщо ви хочете вибрати компромісний варіант між швидкістю реакції робота і плавністю його ходу, встановіть фототранзісгори ближче до ведучих коліс. Не забудьте відгородити фототранзистори від світлодіода. В якості заслінки можна використовувати невеликий шматочок непрозорого пластика або паперу.

Рис. 5

Рис. 6

Наступний крок полягає в збірці керуючої схеми. Як і у випадку більшості пристроїв, описаних в цій книзі, вона зібрана із застосуванням друкованої плати, схема якої наведена на рис. 5, а розміщення деталей – на рис. 6.

Перевірте надійність підключення всіх джерел живлення. Не пошкодуйте на це часу, інакше робот буде працювати нестійко. Мотори ведучих коліс і рульового керування захищені RС-ланцюжками (R9, С8 і R10, С9 відповідно).

Після монтажу радіодеталей на платі вставте її на місце плати приймача радіоуправління. При остаточній зборці закріпіть провідники фототранзисторів якнайдалі від сполучних провідників, що йдуть до моторів. Мікросхема ІС1 володіє вельми високим коефіцієнтом посилення і легко може підсилювати сигнали перешкод. Якщо виникне необхідність боротьби з шумами, використовуйте для приєднання фототранзисторів екранований провід.

У середині батарейного відсіку є достатньо місця для батарейок, що живлять Харві електроенергією, але їх включення необхідно змінити відповідно до приведеної схеми, зробивши відвід від точки з’єднання двох батарейок. Використовуйте вимикач, наявний в електричній схемі іграшкового автомобіля.

Для роботи робота потрібна комплект батарейок із загальним напругою 9 В. Тому вільне місце в батарейному відсіку можна використовувати для розміщення інших компонентів схеми, частина яких розглянута нижче.

Упевнившись в правильності монтажу, можна приступити до першої перевірці працездатності робота. При вимкненому тумблері харчування помістіть чотири нікель-кадмієві акумуляторні батарейки у відсік харчування. Після включення тумблера робот повинен рухатися вперед і повертатися.

Ретельно перевірте характер руху робота. Рульове управління можна випробувати, висвітлюючи ліхтариком то один фототранзистор, то інший. Якщо напрямок обертання якого-небудь мотора неправильне, поміняйте полярність підключення його висновків. Тепер перевірте роботу робота Харві на кола, описуваної білою смугою, проведеної найкраще на чорному тлі. Радіус кола не повинен бути менше радіуса повороту рульового колеса.

Помістивши Харві на трекову смугу, увімкніть живлення і простежте за рухом робота.

У конструкції робота Харві застосовані сутнісно дві оптоелектронні системи, що розрізняються за принципом роботи. З однією з них («зором» робота) ми вже мали справу; її робота забезпечується світлочутливими елементами (фототранзисторами), які управляють струмом рульового мотора.

Рис. 7

Інша оптоелектронна система робота являє собою сонячну батарею, яка підтримує акумулятори в зарядженому стані. Важко повірити, але Харві «харчується» вельми малою кількістю електроенергії. Фактично повністю зарядженого комплекту акумуляторних батарей вистачить для забезпечення автономної роботи протягом приблизно I ч. Після цього для відновлення роботи робота його необхідно освітити. Якщо ж Харві знаходиться на сонці, він підзарядиться під час руху.

Рис. 8

Рис. 9

Щоб задовольнити його потреби, необхідно всього 12 сонячних елементів. Хоча можна використовувати будь-які елементи, що генерують струм 80 мА або більше, я знайшов два найбільш підхожих типорозміру.

Батарея з елементів першого типорозміру, показаних на рис. 8, виготовлена ​​з трьох круглих елементів, розділених на чотири частини; ці частини з’єднані послідовно із збереженням розташування, показаного на малюнку. У результаті виходить батарея з елементів, розташованих у вигляді трьох кружечків, схожих на «божу корівку».

Більш солідний вигляд у Харві виходить при використанні 12 серповидних елементів, розташованих в лінію так, як показано на рис. 9. Робот стає схожим на комаху (багатоніжку або черв’яка) і як би ковзає при русі.

Звичайно, ви можете виготовити батарею будь-який інший конфігурації. Можна навіть зробити змінні кришки робота, забезпечивши йому можливість більш різноманітно виразити себе.

Необхідно пам’ятати: чим менше вихідний струм сонячного елемента, тим довше будуть заряджатися акумулятори. Якщо ж ви використовуєте досить хороші елементи, дивіться, щоб не перезарядити акумулятори. Зверніться за порадами до гл. 10, де обговорюються нікель-кадмієві акумуляторні батареї і їх характеристики.

Є безліч шляхів подальшої модифікації робота. Наприклад, робот набуває вельми ефектний вигляд, якщо його постачити парою миготливих світляних «око» (не плутайте з справжніми фоточутливості «очима»). Робота можна «навчити» видавати звуки. У продажу є ряд мікросхем, генеруючих звуки в широкому діапазоні.

Тепер, коли Харві (або Гарріетта) готовий, починається пора розваг. І знайомства з робототехнікою!

   Список деталей

   Резистори

R1 -150 Ом

R2, R3-1 МОм

R4, R6-2, 2 кОм

R5, R7, – 1 кОм

R9, R10-100 Ом

VR1-50 кОм, потенціометр

   Конденсатори

С1-100 мкФ, 16 В

С2, СЗ, С4, С5-0, 01 мкФ

С6, С7-0, 05 мкФ

С8, С9-0, 1 мкФ

   Напівпровідники

   D1—1N34A

ІС1-LM1458

ІС2, Iсз-LM339

СД1-ХС880-А, інфрачервоний світлодіод

Q1, Q2-TIL414, фототранзистор

   Q3, Q4—2N3904

   Інші деталі

12 сонячних елементів (див. текст)

4 ннкель-кадмієвих акумулятора АА

Ведучий і рульовий електродвигуни

Література: Байєрс Т. 20 конструкцій з сонячними елементами: Пер. з англ. – М.: Мир, 1988 рік.