Robosled

Robosled sledi črni progi na beli podlagi. Sestavljen je lahko na več različnih načinov. Mi bomo obravnavali sestavljanje in delovanje robosleda, zgrajenega z enostavnimi analognimi komponentami, ki jih lahko dobimo v vsaki prodajalni z elektronskim materialom. Hhrati bomo spoznali veliko koristnih informacij glede uporabe operacijskega ojačevalnika.

Za zaznavanje proge črne barve, robosled uporablja fotoupor (LDR - Light Dependet Resistor) kot senzor svetlobe, zgrajen iz kadmijevega sulfida (CdS) in visokosvetlečo modro LED (Light Emitting Diode) diodo. LED dioda osvetljuje površino pod fotouporom. Fotoupor pa prejema odbito svetlobo. Od bele podlage se odbije več svetlobe kot od črne podlage. Fotoupor zato zazna črno progo, po kateri se s pomočjo ustreznega krmiljenja enosmernih (DC - Direct Current) motorčkov premika robosled, kot kaže slika 2:

 Fotouporu se spreminja upornost v odvisnosti od svetlobe. Bolj je osvetljen, manjša je njegova upornost. Če se nanj odbija svetloba visokosvetleče LED diode od bele podlage, je njegova upornost okoli 1 kΩ, od črne podlage pa okoli 40 kΩ. Naš robosled vsebuje dva fotoupora in dve LED diodi. Vsak na način, ki ga bomo spoznali krmili enosmerni motorček, levi fotoupor krmili levi motorček, desni fotoupor pa desnega.

Najenostavnejši način pomikanja robosleda po progi je ta, da vklapljamo in izklapljamo levi oziroma desni motorček. Če hočemo da robosled zavije v desno, kot prikazuje slika 2, moramo večkrat za kratek čas izklopiti desni motorček, vsakokrat, ko fotoupor zazna črno progo. Ta metoda bi delovala, vendar bi se robosled pomikal cik - cak.

Boljša je metoda kontrole hitrosti vrtenja obeh motorčkov, levega in desnega. V desnem ovinku se desni motorček ne ustavi, temveč se vrti počasneje. V tem primeru moramo motorčka krmiliti z ustreznimi impulzi določene frekvence oziroma s pulzno širinsko moduliranim (PWM - Pulse Width Modulation) signalom.

PWM signal je v bistvu sestavljen iz pravokotnih impulzov konstantne frekvence. Razmerje širine impulza proti periodi imenujemo duty cikel in je izraženo v odstotkih. PWM duty cikel, izražen v odstotkih, ustreza povprečni moči tega pulznega signala.

Če PWM signal priključimo na enosmerni motorček, lahko reguliramo njegovo hitrost vrtenja. Pri različnem duty ciklu bo tudi hitrost vrtenja enosmernega motorčka različna. Kadar bo fotoupor pri robosledu nad belo podlago in bo zato prejemal več odbite svetlobe, bo duty cikel višji. Motorček se bo vrtel hitreje. Kadar pa se bo fotoupor nahajal nad črno podlago in bo prejemal manj odbite svetlobe, bo duty cikel nižji. Motorček se bo vrtel počasneje.

 Električni načrt robosleda prikazuje slika 5. Sestavljen je iz več sklopov, katerih vlogo bomo podrobno spoznali v nadaljevanju. Glavni element vezja je integrirano vezje LM324, ki vsebuje štiri operacijske ojačevalnike. R13 in R14 sta fotoupora, ki od podlage prejemata odbito svetlobo, ki jo emitirata LED1 za levi fotoupor in LED2 za desni fotoupor. V kolektorskem tokokrogu tranzistorjev BC639 sta priključena levi in desni motorček robosleda. 

Za sestavo robosleda potrebujemo naslednje elemente:

• • LM324, integrirano vezje s štirimi operacijskimi ojačevalniki, DIL  (1 kos)

  • Upori: 220 Ω (3 kos), 1 kΩ (1 kos), 15 kΩ (1 kos), 33 kΩ (1 kos), 47 kΩ (2 kos), 100 kΩ (1 kos)

• Trimer potenciometer 25 kΩ, ležeči, raster 5 mm x 10 mm, (2 kos)

• Fotoupor (osvetljen cca. 1 kΩ, zatemnjen cca. 100 kΩ) (2 kos)

• Kondenzatorji: 47 µF/16 V (1 kos), 1 µF/16 V (1 kos), 100 nF (6 kos)

  • Dioda 1N4148 (2 kos)

  • Visokosvetleči LED diodi, modri, 5 mm, ozkokotni npr. 30º (2 kos)

  • Visokosvetleča LED dioda, zelena, 5 mm (1 kos)

  • Tranzistorja BC639 (2 kos)

  • DC, enosmerna motorčka, predelana servo motorčka RS-2 (2 kos)

  • Napetostni stabilizator IC 7805 (1 kos)

  • Baterija 9 V (1 kos)

  • Priključek za baterijo (1 kos)

  • Podnožje DIL14 (1 kos)

  • Osnovna ploščica tiskanega vezja (1 kos)

  • Ploščica tiskanega vezja za fotoupora in LED diodi (1 kos)

  • Drobni material (Stikalo enopolno klecno, priključne letvice, vodniki, cin, ohišje za baterijo, kolesi in material za sestavo robosleda sta poljubni - odvisni od načrtovane izgradnje)

PWM signal v robosledu:

Glavni element vezja robosleda oziroma njegovi možgani predstavlja integrirano vezje LM324. Vezje za generiranje in regulacijo PWM signala potrebuje trikotni signal, ki ga proizvaja generator trikotnih impulzov, napetost na posameznem fotouporu, ki se spreminja v odvisnosti od odbite svetlobe ter komparator, ki ta dva signala primerja. 

  Ko vrednost trikotnega signala doseže vrednost napetosti na fotouporu, bo na izhodu komparatorja napetost, ker je napetost na neinvertirujočem vhodu (U+) večja od napetosti na invertirujočem vhodu (U-). Ko pa vrednost trikotnega signala pade pod vrednost napetosti na fotouporu, na izhodu komparatorja ne bo napetosti, ker je napetost na invertirujočem vhodu (U-) večja od napetosti na neinvertirujočem vhodu (U+) komparatorja.

Komparator:

Komparator ali primerjalnik primerja napetosti, ki jih dobi na neinvertirujoči vhod (U+) in invertirujoči vhod (U-). V našem primeru predstavlja prvo vrednost napetosti trikotnega signala, drugo pa vrednost napetosti na fotouporu.

Vrednost trikotnega signala je stalno enaka in je odvisna od generatorja trikotnih impulzov. Vrednost napetosti na fotouporu pa je odvisna od prejete odbite svetlobe, ki jo oddaja LED dioda. V odvisnosti od podlage je lahko odbite svetlobe manj ali več. Zato se ta napetost spreminja. Nivo napetosti na fotouporu in s tem umerjanje robosleda lahko nastavljamo s spreminjanjem upornosti trimer potenciometra Rpot, saj mora biti v območju napetosti trikotnega signala.

 Trikotni impulz na izhodu vezja torej narašča od vrednosti 0,66 V do 3,01 V in pada od vrednosti 3,01 V do napetosti 0,66 V. Ta postopek se ponavlja. Frekvenco trikotnih imulzov lahko izračunamo: 

f = (1 / (4 x R5 x C1)) x (R3 / R4) = (1 / (4 x 36000 x 0,0000001)) x (100000 / 47000) = 147,75 Hz

Če želimo frekvenco spreminjati, lahko zaporetno z uporom R5 vežemo ustrezni trimer potenciometer, npr. vrednosti 100 kohm.

Senzorja za robosled:

Kot je omenjeno na začetku, robosled za zaznavanje črne proge uporablja dva fotoupora, na katera se od podlage odbija svetloba visokosvetlečih LED diod. Na sliki 11 je prikazana pozicija obeh fotouporov in LED diod.

   Izdelava robosleda:

1. Na osnovno ploščico tiskanega vezja po načrtu zaspajkamo elemente vezja:

Pozorni moramo biti pri vstavljanju LED diode (LED zelena), obeh diod 1N4148  ter kondenzatorjev 1 µF in 47 µF, da jih pravilno obrnemo, saj imajo pozitivno in negativno sponko. Integriranega vezja LM 324 ne spajkamo v ploščico temveč ga vstavimo z podnožje. To je predhodno zaspajkamo v ploščico. Polzareza podnožja mora biti obrnjena, kot prikazuje slika. S tem preprečimo napačno vstavljanje integriranega vezja LM 324 v podnožje.Tranzistorja BC 639 zaspajkamo v ploščico, kot je prikazano na sliki.

Ploščica s senzorjema vsebuje dva fotoupora LDR in dve visokosvetleči LED diodi (modri). Paziti moramo, da sta LED diodi pravilno povezani (anoda je pozitivna, katoda pa negativna elektroda).

Oddaljenost ploščice s senzorjema od osnovne ploščice je odvisna od konstrukcije izdelanega robosleda. Oddaljenost ploščice s senzorjema od osovine koles vpliva na uspešnost sledenja črni liniji, predvsem v ovinkih.

Servo motorčka RS-2 moramo predelati, kar je vidno tudi na kratkem posnetku izdelave oziroma sestavljanja robosleda:

Konstrukcija robosleda je lahko poljubna. Na video posnetku je le ena od možnih variant. Pri delu vam želim obilo uspeha in zadovoljsta. Poglejmo še video posnetek robosleda: