בקרה ורובוטיקה: דוח פרויקט :הנושא

PICמבוקר OMNIבמבנה רובוט לגו

:מגישים

גייזלר אסף שינפלד דב025421876 033056532

:מנחה

קובי כוחיי

חורף :סמסטר

מכון טכנולוגי לישראל -הטכניון TECHNION - ISRAEL INSTITUTE OF TECHNOLOGY

הפקולטה להנדסת חשמל המעבדה לבקרה ורובוטיקה

תודות

הלקובי כוחי מהנדס המעבד הנדסאית המעבדה לאורלי ויגדרזון המלאכהלבית לנשותינו היקרות

תוכן העניינים

5 ........................................................................................................ הפרויקט מטרת: 1פרק

6 ...................................................................................................................... מבוא: 2פרק

6 ...................................................................................................................... :הבעיה הצגת 2.1

6 ................................................................................................................... ומוטיבציה רקע 2.2

6 ................................................................................................................... הפרויקט תרומת 2.3

7 ............................................................................................................... כללי תאור: 3פרק

7 ..................................................................................................................... :הרובוט מבנה 3.1

9 ........................................................................................................... :המערכת פעולת אופן 3.2

10 .................................................................................................................. חומרה: 4פרק

RF :ER400TRS ........................................................................................ 10 תקשורת מודם 4.1

11 .................................................................................................................... :הבקר כרטיס 4.2

13 ................................................................................................................. :החומרה כרטיס 4.3 Drivers: .......................................................................................... 13 -ה רכיבי 4.3.1 15 .................................................................................................. :המתח מייצב 4.3.2 Schmitt Trigger: ............................................................................. 16 - ה רכיב 4.3.3

16 ............................................................................................................... :ותמסורת מנועים 4.4 16 ............................................................................................................ מנועים 4.4.1 17 ......................................................................................................... תמסורת 4.4.2

17 .................................................................................................................:המהירות משוב 4.5 17 ..................................................................................................... אופטי גלאי 4.5.1 18 .......................................................................................................... אינקודר 4.5.2

19 .............................................................................................................................. גלגלים 4.6

20 ................................................................................................................... תוכנה: 5פרק

20 ............................................................................................................ :הפעולה אלגוריתם 5.1

21 .................................................................................................................. :זרימה תרשים 5.2

23 ............................................................................................................................... :הקוד 5.3

24 ....................................................................................................................בקרה: 6פרק

24 ................................................................................................................. :המנועים אפיון 6.1

26 ......................................................................................... :שני מסדר מערכת -זמנית תגובה 6.2

30 ................................................................................................................ :הבקרה חוג תכן 6.3

P: .......................................................................................................................... 30 בקר 6.3.1

I: ........................................................................................................................... 31 בקר 6.3.2

PI: ........................................................................................................................ 33 בקר 6.3.3

34 ....................................................................................................... ומסקנות סיכום: 7רקפ

רשימת טבלאות ואיורים

7 ......................................................................................... 1קומה - הרובוט מבנה: 3.1.1 איור 7 ......................................................................................... 2קומה - הרובוט מבנה: 3.1.2 איור 8 ......................................................................................... 3קומה - הרובוט מבנה: 3.1.3 איור 9 .................................................................................. מרכיביה לפי המערכת פעולת: 3.2 איור 10 ..................................................................................... אלחוטי תקשורת מודם: 4.1.1 איור 11 .......................................................................... המודם כרטיס של חשמלי מעגל: 4.1.2 איור PIC18F4431. .................................................................................... 11 - ה בקר: 4.2.1 איור 12 .................................................................................................. .הבקר כרטיס: 4.2.2 איור 13 ..................................................................................................... .הבקר כרטיס: 4.3 איור DRIVER ...................................................................................... 14 ה חיבור: 4.3.1.1 איור DRIVER ............................................................................... 15 ה מעגל סכמת: 4.3.1.2 איור 15 .......................................................................................... המייצב מעגל סכמת: 4.3.2 איור Schmitt Trigger........................................................... 16 -ה לאחר המשוב אות: 4.3.3.2 איור Encoder ............................................................................. 16 -מה המשוב אות: 4.3.3.1 איור 16 ......................................................................................................... לגו מנוע: 4.4.1 איור 17 ............................................................................................ ותמסורת לגו מנוע: 4.4.2 איור 17 ............................................................................ .וחשמלי מכני מבנה אופטי צמד 4.5.1 איור 18 ......................................................................................................... אינקודר: 4.5.2 איור 18 ............................................................................ חשמלי תרשים -מהירות משוב: 4.5.3 איור 19 ................................................................................................. אומני גלגל מבנה: 4.6 איור .הסימניה אינה מוגדרת! שגיאה .................................... .תרשים זרימה תוכנית ראשית: 5.2.1איור .הסימניה אינה מוגדרת! שגיאה ............. .Encoders -תרשים זרימה טיפול בפסיקות מה: 5.2.2איור .הסימניה אינה מוגדרת! שגיאה ..................... .0תרשים זרימה טיפול בפסיקות מטיימר : 5.2.3איור 24 ....................................................................................... לגלגל מוצמד טכומטר: 6.1.1 איור 25 ................................................................................................ למדרגה תגובה: 6.1.2 איור 25 ............................................................................. באוויר גלגל - למדרגה תגובה: 6.1.3 איור 25 .......................................................................... בנסיעה רובוט - למדרגה תגובה: 6.1.4 איור 26 ................................................................ מדרגה לכניסת שני מסדר מערכת תגובת 6.2.1 איור 27 .......................................................... למדרגה כתגובה המנוע מהירות של עליה זמן 6.2.2 איור 28 ....................................................................... למדרגה המקורבת המערכת תגובת 6.2.3 איור 29 ........................................................................ המקורבת המערכת של לוקוס-רות 6.2.4 איור P ............................................................................................................ 30 בקר 6.3.1 איור I .......................................................................................................... 31 בקר 6.3.2.1 איור 31 ................................................................................... למדרגה תגובה - I בקר 6.3.2.2 איור 32 .......................................................................................... לוקוס-רות: I בקר 6.3.2.3 איור PI ........................................................................................................ 33 בקר 6.3.3.1 איור

מטרת הפרויקט: 1פרק

המונעים OMNI משולש בעל גלגלי פיתוח ובניית רובוטמטרת הפרויקט היא

תקשורת ב מרחוקונשלט PICי "ע מבוקר הרובוט .LEGOמנועי באמצעות

ים ילגו אשר מאופשימוש במנועי יהבפרויקט ההתכתיב העיקרי .אלחוטית טורית

עיקר הדגש על מציאת ,כתוצאה מכך. התמודדות מול בעיות בקרה ויצבותנדרשה

מטרות . בקרה אשר ירסנו את אופיים הבלתי צפוי של המנועיםמשוב ומנגנוני

MICROCHIPשל חברת PICהכרת בקרים מתוכנתים בכלל ובקר : נוספות היו

ום קבלת ישוPIC -ה לבקר Cקוד ב מימוש הבקרה,חומרהה בנייתו וןנכת .בפרט

.אלחוטי RS232פקודות דרך ערוץ תקשורת

י שימוש במנגנוני המשוב בדיוק הרב "ע והרובוט אמור להיות עצמאי ולהגיע ליעד

.רהיקביותר ללא שימוש באמצעי שליטה חיצוניים כגון מצלמת ת

בואמ: 2פרק

בכל רובוט משולש הינו רובוט בעל שלושה גלגלי אומני המאפשרים תנועה וקטורית

הרובוט יכול , באמצעות שליטה על מהירות וכיוון הסיבוב של כל מנוע. x,yכיוון

.פנותלנסוע לכל כיוון בלי צורך ל

:צגת הבעיהה 2.1הדרישה המרכזית היתה , בניגוד לרובוטים אחרים במבנה דומה, זהפרויקט ב

שאינם יציבים מנועי הלגו הינם מנועים חסרי מומנט ומכך נובע. שימוש במנועי לגו

בנוסף המנועים אינם בנויים להתמודד עם . וטווח מהירויות הסיבוב שלהם מוגבל

.ותנסיעות קצר' משקלו הרב של הרובוט והסוללות ולכן הם מתחממים כעבור מס

.ולכן גם אופי הנסיעה של הרובוט םחימום המנועים משפיע אף הוא על התנהגות

וכל המידע על מיקום חיצוני המציין את מיקומו לרובוט אין כל משוב, בנוסף לזאת

לכן אם אין בקרה טובה על הגלגלים . הרובוט מגיע מחישנים הנמצאים על הגלגלים

ועליו הושם , הפתרון לבעיות אלו. אין דרך לגלות זאת, והרובוט סוטה ממסלולו

.הוא ניתוח המנועים ותכנון בקרה לרובוט, דגש בפרויקט

הרקע ומוטיבצי 2.2י מעבדה אחרת "נבעה מהעובדה שהרובוט הוזמן ע לשימוש במנועי לגו דרישה

ניתן לבנות סביבם . מנועי לגו הינם מנועים זולים וזמינים. והמשתמשת במנועים אל

בנוסף ניתן לבנות והוסיף גלגלי .נות תוך שימוש בקוביות לגוופלטפורמות מגו

ם אלה פותח פתח לבניית רובוטים שימוש במנועי. שיניים ותמסורות כיד הדמיון

.שונים לאפליקציות מגוונות

תרומת הפרויקט 2.3בפרויקטים . נעשה לראשונה מידול של המנועים בהם נעשה שימוש בפרויקט זה

בעלי DC או מנועי מנועי סרוו: אחרים נעשה שימוש במנועים בעלי מומנט רב כגון

שימוש טבלאות , בחוג פתוחקרה עבור מנועים אלו ב. תמסורת פנימית וחיצונית

הפעם נעשה ניסיון אמיתי לבנות בקר . נתנו מענה הספק Pשימוש בבקר אוכיול

.פיתרון למנועים חסרי מומנט ןייתאיכותי אשר

תאור כללי : 3פרק :מבנה הרובוט 3.1

:קומות שלושהרובוט בנוי מ

ותמדסקית מקווקוהמורכבים Encoders-סוללות ו ,תמסורת, מנועים : 1קומה

.ופטיא וצמד

1קומה - מבנה הרובוט: 3.1.1ר איו

.ולוגיקה, יצב מתחימ, כרטיס החומרה המורכב מדרייברים :2קומה

2קומה - מבנה הרובוט: 3.1.2ר איו

Transceiverכרטיס ו בקר: 3קומה

3קומה - ה הרובוטמבנ: 3.1.3 ראיו

:אופן פעולת המערכת 3.2 .חלקים עיקריים מכמה , באופן כללי,מורכבת המערכת

:תרשים אופן פעולת המערכת לפי תפקידי היחידות השונותלהן מובא

פעולת המערכת לפי מרכיביה :3.2 איור

:הסבר

לבקר תנשלחהפקודה . פקודה לגבי אופי הנסיעה נקלטת במקלט משדר האלחוטי

למהירות מתאיםה PWM הבקר קובע .RS232דרך ערוץ תקשורת טורית PIC - ה

צמד אופטי דיסקית מקווקות שיחד עם תמורכב גלגליר צעל כל . כל מנועל הסיבוב

.Encoderנקרא מהירות ה/חישן מרחק םמהווי

מתקן על מהירות סיבוב הגלגלים ו סוגר חוג משובהבקר Encoder-הבאמצעות

.לכל גלגל על מנת לשמור על המהירות הרצויה PWM - באופן קבוע את יציאת ה

הגדרת תוכנית שליטה מרחוקבנסיעה

שליחת המידע לבקר

PWMקביעת מתאים לכל מנוע

קריאת מידע לבקר Encoders-מה

דחיפת המנועים י הדרייברים"ע

חומרה : 4פרק

RF: ER400TRSמודם תקשורת 4.1

. Easy-Radioשל חברת ER400TRS Transceiver: המודם בו נעשה שימוש הוא

לצורך חווי על התקדמות התוכנית Debug-לשלב ה הן מודם התקשורת נועד

סופי לצורך קבלת פקודה ה הן לשלבת פרמטרים של מנגנון הבקרה וובדיק

,כרטיס הבקרשל RS232 - ה לכניסתחובר אחד Transceiver ס כרטי .מהמפעיל

מהווה את Terminal תוכנת. ושל RS232 - כניסת הדרך חובר למחשבכרטיס שני ו

.הממשק בין המחשב לרובוט

ורת אלחוטימודם תקש: 4.1.1 איור

אנטנהכניסת מתח

RS232 Connector

ER400TRS Transceiver MAX

232

:המודם לוחשרטוט

מודםמעגל חשמלי של כרטיס ה: 4.1.2 איור

:כרטיס הבקר 4.2הבקר הינו מערכת .Microchipשל חברת PIC18F4431 :שנבחר הוא קרהב

יכול לשמש למספר מטרות מוגדרות בה כל הדק) Embedded System(מוכללת

להלן איור הבקר ותפקידי מובא . בקרפנימיים ב םמראש על פי תכנות של רגיסטרי

:הדקיו

.PIC18F4431 - בקר ה: 4.2.1איור

לכל אחד מהפורטים . RD -ו RA,RB,RC: ארבעה פורטים לשימוש כללי לבקר

.תפקיד אלטרנטיבי כפי שמתואר באיור לעיל

נבחר לשמש ככניסת בקרת המהירות מהאינקודרים כאשר RAפורט •

CAP1, CAP2 ו- CAP3 הם הכניסות שבשימוש.

-ו PWM1 ,PWM3כאשר , למנועים PWM -נועד לשמש כסיגנל ה RBפורט •

PWM5 הן היציאות שנבחרו.

.נועד לשמש לצורך התקשורת הטורית RCפורט •

משמש כיציאות לוגיות כלליות לצורך שליטה על כיוון סיבוב RDפורט •

. המנועים ונעילתם

:לים הבאיםהבחירה בבקר זה נעשתה מהשיקו

במהירויות ייעודיות להפעלת מנועים PWMמספר רב של יציאות לבקר •

.היחיד עם יותר משתי יציאות. שונות

.מרחק או מהירות תייעודיות לבקר CAPכניסות •

.בעל תמיכה מובנת בתקשורת טורית •

מסדרה קודמת וזיכרון רב יותר המאפשרים יותר יכולת חישוב גבוהה •

.ברמה גבוהה יותרכתיבת אלגוריתמים

:לבקר נבנה כרטיסון נפרד המכיל קונקטורים לכל הפורטים וכן רכיבים נוספים

.כרטיס הבקר: 4.2.2איור

חצן לReset

הבקר

כניסת מתח

יציאת RS232

MAX 232

גביש

PORTS

:כרטיס החומרה 4.3ורכיב השמיט טריגר נבנו על כרטיס , מיצב המתח, מעגלי ההספק להנעת המנועים

להלן חיבורי . אר חלקי הרובוטנפרד המכיל את כל הקונקטורים אל הבקר ואל ש

:כרטיס החומרה

.כרטיס הבקר: 4.3איור

:Drivers -רכיבי ה 4.3.1היציאות הלוגיות של הבקר אינן מסוגלות לספק מספיק זרם על מנת להניע את

על מנת . הוציאשהבקר מסוגל ל 5v -בנוסף המנועים דורשים מתח גבוה מ. המנועים

מסוג Driver - הרכיב הנבחר הוא .ם נדרש רכיב הספקמנועילתאם בין הבקר ל

L62052N. ה - Driver המובא להלן לדרייבר יחובר לפי חיבור המעגל האופיינ:

PWMחיבורי למנועים

15Vחיבור מתח .למעגלי ההספק

- חיבורי הEncoders חיבור מה לגלגלים-Encoders לבקר

Schmitt Trigger - לאחר ה

5Vאספקת מתח .למעגלי הלוגיקה

5Vהעברת מתח לכרטיס הבקר

חיבורי כיוון ונעילת גלגלים

PWM-חיבור ה Drivers-מהבקר ל

: Driverחיבור כללי של ה

DRIVERחיבור ה : 4.3.1.1 איור

OUT.ברים בין היציאות והמנועים מח .לט על שני מנועים בו זמניתוהרכיב ש

דרכה ניתן לשלוט על של הבקר PWM -חוברה ליציאת ה ENABLEכניסת

.PWM -של סיגנל ה Duty-Cycle -מהירות הסיבוב נקבעת לפי ה. מהירות הסיבוב

. In2ו , In1 :מתבצעת באמצעות כניסות על כיוון סיבוב המנוע הטישלה

:מנוע מתבצעת לפי הטבלה הבאהבהשליטה

.RDלפורט בקר ל חוברו In2ו In1כניסות

In1 In2 Enable וון סיבובכי

PWM signal 0 1 קדימה

PWM signal 1 0 אחורה

PWM signal 0 0 נעילת המנוע

PWM signal 1 1 נעילת המנוע

X X 0 מנוע משוחרר

קובע את המתח PIC - שמתקבל מה PWM(Pulse Width Modulation)-אות ה

כך מתח המוצא , של האות גבוה יותר Duty Cycleככל שה . שמסופק למנועים

אותה רמה In2ו In1על מנת לעצור את המנוע מסופק לכניסות . בוה יותרלמנועים ג

לצורך שליטה על כל מנוע בנפרד מסופקים מהבקר שלושת . ' 1'או ' 0'ת לוגי

.הסיגנלים שהוזכרו לעיל

DRIVERסכמת מעגל ה : 4.3.1.2 יורא

:מייצב המתח 4.3.2

החלק , וולט 1.2בכרטיס מוזן ישירות מארבע סוללות של יהדיגיטאלבעוד שהחלק

.האנלוגי הכולל את הדרייברים והמנועים מוזן ממעגל נפרד על מנת לבודד רעשים

על . ידת מתחצריכת הזרם גורמת רגעית ליר. המנועים צורכים זרם רב בזמן נסיעה

ח ההספקה חובר למעגל המנועים מייצב מתח תמנת להתגבר על הרעשים במ

7812MC . וולט בנפרד 1.2סוללות של 12 - המוזן מ וולט 12זהו מייצב מתח של

.יהדיגיטאלמהסוללות למעגל

סכמת מעגל המייצב :4.3.2 איור

:Schmitt Trigger - רכיב ה 4.3.3

Encoder -נועד להתאים את האות האנלוגי המגיע מה Schmitt Trigger-רכיב ה

בעל 7414רכיב זה הינו מהפך . של כניסת הבקר TTLכך שיתאים לרמות לוגיות

רמות סף שונות במעבר מעליה לירידה ובמעבר מירידה לעליה כך שההבחנה שלו

.וחסינה לרעשים יותר ברורה

:ותמסורת מנועים 4.4

מנועים 4.4.1 אלו הוכתבו כדרישה של מעבדה אחרת מנועים . לגו הנעת הרובוט נבחרו מנועיל

יםמקבל יםהמנוע. המיועדת להשתמש ברובוט זה ואשר משתמשת במנועים אלו

משתנה , Driverשנכנס ל PWMבהתאם לאות ה . Driver-מעגל ה מ כניסות שתי

אומנם .הירות הסיבובי כך שולטים על מ"וע, שמגיע למנועיםהממוצע המתח

המנוע Driver -אבל במוצא ה, מגיע בצורת פולסים Driver - המתח בכניסת ה

של אות Duty_cycle -ומתקבל מיצוע של הפולסים כתלות ב Low pass - מתנהג כ

.PWM - ה

מנוע לגו: 4.4.1 איור

Schmitt Trigger - אות המשוב לאחר ה: 4.3.3.2 איור Encoder -אות המשוב מה: 4.3.3.1 איור

תמסורת 4.4.2ת הגלגלים לשינויים על מנת להוסיף למנועים מומנט ועל מנת להקטין את רגישו

מבדיקה של רובוטים המבוססים על מנוע לגו נהוג . נוספה תמסורת, במנוע

ואולם מאילוצי גובה ושטח התמסורת שנוספה היא 32:1להשתמש בתמסורת של

. 4:1ביחס של

מנוע לגו ותמסורת: 4.4.2 איור

:משוב המהירות 4.5 תסקה מקווקווישב בסמוך לציר המנוע ודמשוב המהירות מורכב מגלאי אופטי היו

ליחידת זמן הנקבעת , שחוסמים את הגלאי, םהקווי' מס. המורכבת על הציר עצמו

. ינדיקציה למהירות הגלגלי אחד המונים של הבקר מהווים א"ע

.לעיל 4.4.2באיור את מבנה הגלאי והאינקודר ניתן לראות

אופטי גלאי 4.5.1 .טרנזיסטור-פוטומו אור תמדיודה פולטבנוי ה H22A1הוא צמד אופטי הגלאי

טור נמצא בתחום הפעיל או ברוויה האופטי הטרנזיס כאשר אין חסימה של המסלול

. כאשר מסלול האור נחסם הטרנזיסטור בקיטעוןו

.מכני וחשמלי מבנה אופטי צמד 4.5.1 איור

אינקודר 4.5.2האינקודר מורכב . ר מאפשר או חוסם את מסלול האור דרך הגלאיהאינקוד

. קווקווים 36שחור שעליו ) פילים(שקופה שעליה מודבק נגטיב ת פלסטיתימדיסק

.הדיסקה מורכבת על ציר הגלגל ומסתובבת ברווח שבין שני חלקי הצמד האופטי

אינקודר: 4.5.2 איור

ככל שהגלגל . מהירות הסיבוב של הגלגלבמהגלאי תלוי המוצא תדירות אות

דרך מוזן זהאות .ולהיפך גבוהה יותרהיה תהמוצא תדירותכך , מסתובב יותר מהר

. נסגר חוג בקרת המהירותוכך קרב CAPלכניסת Schmitt Trigger - ה

לסיכום מובא התרשים החשמלי של מעגל משוב המהירות מהצמד האופטי ועד

:Schmitt Trigger - לאחר ה

תרשים חשמלי -משוב מהירות: 4.5.3 איור

.זרם הטרנזיסטור נחלש והמתח בכניסת המהפך עולה, כאשר מסלול האור נחסם

מפל כתוצאה מכך. הטרנזיסטור ברוויה והזרם דרכו גדל , כאשר מסלול האור גלוי

.גדל והמתח בכניסת המהפך יורד R2המתח על

גלגלים 4.6

XYמבנה כזה מאפשר לרובוט לנוע בכל כיוון במישור . ה במבנה משולשהרובוט נבנוהרובוט נע בכיוון , כל מנוע אמור לקבל וקטור מהירות מסוים. מבלי לסוב על צירו

גלגלי אומני הם .אומניבגלגלי זה מכתיב שימושאופן תנועה . הווקטור השקול

: םלים לנוע בחופשיות בשני כיוונימסוגהגלגלים מיוחדים

.סיבוב המנוע כאשר דוחפים או מושכים כיווןב •

.י שני המנועים האחרים"כאשר הגלגל נגרר עהמנוע צירל מקבילב •

הנמצאים בהיקף כל "חרוזים"הרובוט מתאפשרת בזכות ימתגרירת הגלגל מבלי בל

. גלגל

אומנימבנה גלגל : 4.6 איור

תוכנה: 5פרק :אלגוריתם הפעולה 5.1

.הטרמינלמנסיעה קבלת פקודת .1

).נסיעה עם או בלי בקרה(הביצוע פענוח של הפקוד. 2

.איפוס מונים.3

.לכל מנועהתחלתי וכיוון PWMקביעת .4

.התחלת נסיעה וטיפול בפסיקות המתאימות .5

.)במקרה בו הנסיעה מבוקרת(בעזרת מנגנון הבקרה יחוס שמירה על מהירות. 6

.ובוט עברחק שהרדגימת המר. 7

.באם הרובוט הגיע למרחק הרצוי) גלגלים נעילת(בלימה.8

:תרשים זרימה 5.2

.תרשים זרימה תוכנית ראשית: 5.2.1 איור

קבלת פקודה

מונים הפעלתאיפוס ו

פענוח פקודה

התחלת נסיעה

TMR0 -פסיקה מ

התחלה

כן לא

תיקון

,מהירות רצויה ?ואין שגיאה מצטברת

.Encoders -תרשים זרימה טיפול בפסיקות מה: 5.2.2 איור

.0תרשים זרימה טיפול בפסיקות מטיימר : 5.2.3 איור

לא

TMR0 פסיקה קבלת

מונה קידום TMR0 פסיקות

חישוב שגיאת כל מנוע על סמך

ticks - מוני ה

האם השגיאה

0? PWM שינוי

למנוע

האם מונה הפסיקות 0TMR שווה לערך הרצוי?

עצירת מנועים וח סיוםודיו

לא

כן

-דגימת מוני הticks של

הגלגלים

:TIMER 0

קבלת פסיקה מאחד המנועים

מונה קידום ticks הגלגל של

איפוס דגל הפסיקה

Encoders:

:הקוד 5.3

שנועדה לעבוד עם microchipהקוד לפרויקט נכתב בעזרת התוכנה של חברת

מ שיהיה קריא לכל קובץ אחראי לחלק מסוים "הקוד חולק למספר קבצים ע. הבקר

( וינת הפעולה שהפונקציה מבצעתמעל כל פונקציה שנכתבה מצ. של הרובוט

synopsis( , הפרמטרים שהיא מצפה לקבל)input ( והפרמטרים שהיא מחזירה

)output.(

בקרה: 6פרק

כל מנוע בפני עצמו מגיב באופן , בנוסף. זהיםהמנועים המניעים את הרובוט אינם

סיבוב על מנת לשמור על מהירות. שונה לפקודת נסיעה ואף במהלך הנסיעה עצמה

.למהירות ייחוס רצויה יש צורך במערכת בקרה רובהק

:השלבים הנדרשים לתכנון מערכת בקרה הם

אפיון המנועים. 1

קירוב למערכת מסדר שני. 2

.ביצוע תכן לקבלת מערכת העונה על הדרישות. 3

:אפיון המנועים 6.1 .ח בכניסהלמדרגת מתהזמנית על מנת לאפיין את המנועים יש לבדוק את תגובתם

.בה נדרש המנוע לנוע סלמהירות הייחו תמדרגת המתח פרופורציונאלי

. חובר לגלגל טכומטר ,המנוע למדרגההזמנית של הגובהבכדי לבדוק את

טכומטר מוצמד לגלגל: 6.1.1 איור

מתח הפרופורציונאלי יליניאראשר מוציא באופן ) דינמו( DCטכומטר הינו מנוע

מעמיס את כך שכמעט ואינונמוך מאוד מומנט טכומטרל. בה הוא מסובב למהירות

הדקי הטכומטר חוברו להדקי אוסצילוסקופ שעל מסכו .מוצמדהמנוע אליו הוא

במצב הראשון נבדק . בשני מצביםהרובוט נבדק . התקבלה תגובת המנוע למדרגה

נבדק הרובוט ובמצב השני, )רכאשר גלגליו מסתובבים באווי(הרובוט ללא עומס

:מובאות להלן תוצאות המדידות. בנסיעה בקו ישר

תגובה למדרגה: 6.1.2 איור

גלגל באוויר -תגובה למדרגה : 6.1.3 איור

רובוט בנסיעה -תגובה למדרגה : 6.1.4 איור

2

2

2 2

2 21 2

. exp( )1

2

, ( 1)

n

ns

n n

n n

o s

Ts s

P P

πξ ξξ

ωωξω ω

ξω ξ ω

= − ⇒−

=+ +

⇒ = − ± −

:מערכת מסדר שני -תגובה זמנית 6.2

ניתן למצוא את פונקצית התמסורת של המערכת התגובה הזמנית ימתוך מאפיינ

:ראשית נכיר את מאפייני התגובה הזמנית. י קירובה למערכת מסדר שני"ע

תגובת מערכת מסדר שני לכניסת מדרגה 6.2.1איור

:הפרמטרים המעניינים הם

nω - התנודותתדירות

O.S - גובה תגובת היתר הראשונה ביחס לרמה היציבה

t.r – מהערך הסופי 90% -עד ל היהעליזמן

ξ – מקדם הריסון של המערכת

:באופן הבא התמסורת' התגובה הזמנית ניתן למצוא את פונ ימתוך מאפיינ

:ממדידת תגובת היתר נמצא את מקדם הריסון

:נמדוד את תדירות התנודות

.nω-ו ξ-התמסורת כתלות ב' נמצא את פונ

:רתהתמסו' הקטבים הם שורשי המכנה של פונ

י כלל האצבע "עפ (ωn)ניתן למצוא את רוחב הסרט של המערכת ההעליימתוך זמן

:הבא

הבקר הינו מערכת בדידה הדוגמת את . עד כה הניתוח נעשה עבור זמן רציף

על מנת לדאוג שקירוב המערכת מזמן רציף לזמן . המערכת לפי קוצב זמן פנימי

s*10:הבא sƒבתדר דגימה ) הנדסיי כלל אצבע "עפ(יש לדגום , בדיד יהיה תקף ff =

. כאשר

:49mSec הוא ההעלייעבור המנוע ניתן לראות כי זמן

זמן עליה של מהירות המנוע כתגובה למדרגה 6.2.2איור

.70Hzנובע מכך כי תדר הדגימה הנדרש הוא

. %של O.Sניתן לראות כי קיים 6.1.3איור מבנסיעה ח תגובת הרובוטותינמתוך

תדר התנודות של תגובות , בנוסף. ξ=0.0912: נובע מכך כי מקדם הריסון הוא

.62.83rad/sec =nωהיתר הוא

: פונקצית התמסורת המקורבת מערכת מסדר שני היא אם כן

: הקטבים הם

P1 = ( -5.7300 +62.5682i )

P2 = ( -5.7300 -62.5682i ) :תגובת המערכת המקורבת למדרגה נראית כך

תגובת המערכת המקורבת למדרגה 6.2.3איור

הקירוב נותן מערכת מסדר שני בעלת תגובת יתר ראשונית גבוהה , כפי שניתן לראות

גובת היתר דועכת והמערכת אך בניגוד למנוע בנסיעה ת, בדומה לתגובת המנוע

.שהמנוע לא באמת מערכת מסדר שנימתייצבת וזאת פני

ניתן . המערכת המקורבת יציבה היות ושני שורשיה נמצאים בחצי המישור השמאלי

:המערכת המקורבתלוקוס של -רות תבדיאגראמראות זאת ל

לוקוס של המערכת המקורבת -רות 6.2.4איור

: תכן חוג הבקרה 6.3

:Pבקר 6.3.1י "את המערכת ע בקרלנובע שכביכול ניתן 6.2תוח של הנתונים מסעיף מן הני

. ואכן בקר כזה מומש ונבדק ,לצורך סגירת חוג בקרה(P) הגבר שימוש בבקר

Pבקר 6.3.1איור

בקר מסוג זה מתקן בכל רגע את השגיאה הרגעית במהירות הגלגל ביחס למהירות

אם קיים רצף של . וג בקרה חיצוני כגון מצלמההבעיה היא שלרובוט אין ח. הייחוס

.שגיאות רגעיות הרובוט יסטה ממסלולו מבלי שחוג הבקרה יהיה מודע לשגיאה זו

:י ההגדרה של שגיאת מצב מתמיד לכניסת מדרגה"ניתן לראות זאת עפ

אזי , G(s)נאחד את כל המלבנים ליחידה אחת 6.3.1אם במערכת מאיור

:יותמוגדרת לה essהשגיאה

:Iבקר 6.3.2

לבצע אינטגרציה עי השגיאה הרגעית על מנת לאפס את שגיאת המצב המתמיד יש

:י"את האינטגרל נקרב לסכום עפ. וכך מתקבלת השגיאה המצטברת

/

( )00

( )t t T

I Itk

K e dt K e kT=

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

≈ ∑∫

שתדר הדגימה יהיה פי עשר , כאמור,יש לדאוגכדי שהקירוב לסכום יהיה תקף

G(s) - קוטב ל פתהוסהמשמעות של אינטגרציה היא . וחב הסרט של המערכתמר

שגיאת המצב המתמיד במקרה זה . -ב G(s)התמסורת פונקצית תהכפלכלומר

:תהיה מהצורה

.Iמדובר כעת בבקר מסוג

Iבקר 6.3.2.1איור

.הוא פגיעה ביציבות Iהעיקרי בבקר מסוג ןהחיסרו

:לראות זאת בתגובה למדרגה ניתן

תגובה למדרגה - Iבקר 6.3.2.2איור

לוקוס ניתן - רות תבנוסף בדיאגרמ. ניתן לראות כי התגובה למדרגה מתבדרת

הקטבים ינועו ימינה והמערכת תצא , לראות שאם מגדילים מידי את ההגבר

: מיציבות

לוקוס- רות: Iבקר 6.3.2.3איור

כך שניתן יהיה לגדיל את Iעם בקר Pי להתגבר על בעיה זו ניתן לשלב בקר כד

מבלי לגרור שגיאת מצב מתמיד הוכך לשפר את זמן העליי Pההגבר באמצעות בקר

. I-בה יטפל בקר ה

5* * 2000.50.4

I

I

K PP y K x

xy

=⎧⎨ + =⎩==

70350I

PK

=⎧⇒ ⎨ =⎩

:PIבקר 6.3.3

:בנוי באופן הבא PIבקר

PIבקר 6.3.3.1איור

.לפגוע ביציבותמבלי Iמנצל את היתרונות של בקר PIבקר

י ביצוע מדידות סטטיסטיות על אופן נסיעת "נקבעו באופן אמפירי ע I -ו Pהקבועים

,מניסיוננו .10mSecכלומר זמן מחזור של 100Hzהינו PWM-תדר ה .הרובוט

עבור . המנוע מספק ממומנט מספיק להנעת הרובוט 50%של Duty_Cycleסביב

PWM פסים ליחידת זמן דגימה שעומדת על 4 -הירות של כמזה המנוע מסתובב ב

5mSec . ב 10%תוספת או חיסור של עוד- Duty_Cycly משפיעה 50% -סביב ה

(x) ברת טממדידות שבוצעו הסתבר כי השגיאה המצ. לאורך זמן על מהירות המנוע

0.4של מסדר גודל היא (y) השגיאה הרגעית. חצי פס לדגימהמסדר גודל של היא

:תוך שיקולים אלו חישבנו את קבועי הבקרים לפי הנוסחה הבאהמ .פס לדגימה

וזאת על מנת לתקן P - חזק מבקר ה 5נבחר להיות פי I-ניתן לראות כי קבוע בקר ה

זה שקול לתוספת של 1000כאשר מוסיפים תיקון של . במהירות סטיות מהנתיב

ר שהתיקון יבוצע תוך לא יהיו גסים נבח םשהתיקוניעל מנת . Duty_Cycly - ב 10%

*חמישה שלבים ולכן * 200IP y K x+ כמובן שבכל רגע התיקון שיתבצע בפועל . =

.y - ו xתלוי בגדלים הנדגמים

סיכום ומסקנות: 7פרק

הצלחנו לבנות רובוט השומר על מסלולו נסיעה לאורך קו ישר ללא לאחר מאמץ רב

גלגלים לאחת 2תן לנסוע בעזרת ני. מהמסלול הצבירה משמעותית של סטיי

בתחום י הפניית הרובוט סביב צירו"אחרת ע תזוויולכל 0º,120º,240º: מהזויות

בשל אופי המנועים לא ניתן לבצע נסיעה ווקטורית וזאת . מעלות 120 - ל 0שבין

בנוסף במהלך . שהמנועים לא מתוכננים להסתובב בטווח מהירויות שונהמשום

ולמדנו Pic18f4431תכונות בקר הכרנו, ניית גוף הרובוטבנו בפיתוח הפרויקט עסק

חומרת הרובוטנו את יובנו ננכת .לעומק את היחידות הרלוונטיות לפרויקט

כיול בניסיון עסקנו .ועודRS232 transceiver ,Sensors ,Drivers :הכוללת

נולבשיו חוגי בקרה מסוגים שונים וננכתלאחר מכן .מנועים לתנועה בקו ישרה

הסענו את הרובוט סיון כיול המנועים יבשלב נ .מודול אלחוטי לפיקוד מרחוק

בשלב . בקווים ישרים כאשר בכל תנועה רק שני מנועים עבדו אך לא עזרו אחד לשני

בערכים אלו המנועים לא ו נמוכים PWMעבור ערכי חסר מומנטזה הבנו שהמנוע

חום שבו המנועים הצליחו להניע רק לאחר שמצאנו ת .הצליחו להזיז את הרובוט

בשל חולשת הבקר לא הצלחנו . את הרובוט ניתן היה להתקדם ולתכנן חוג בקרה

דבר זה חייב מעבר . 3להגיע לקצב דגימה של פי עשר מרוחב הפס אלא רק פי

במהלך . למידול בזמן רציף באמצעות טכומטר ובנוסף גרר השפעה על ביצועי הבקר

. ים בבניית רובוט אפילו לצורך נסיעה בקו ישר בלבדהפרויקט למדנו על הקשי

שונים על הבקרחוגי תכנון, למדנו על מידול מערכות וקירובן למערכת מסדר שני

יתרונות , PIC - הכרנו את סביבת הפיתוח של בקר ה. יתרונותיהם וחסרונותיהם

שילוב בקר מתוכנת במערכת וחולשותיו של הבקר הספציפי ובמציאת פתרונות

בסיכום התהליך התקבל רובוט אשר למרות . ואלקטרוניות תונים לבעיות מכאניוש

. מהווה בסיס להמשך פיתוח לצרכים עתידיים מגוונים, חולשת מנועיו