پروژه روبات تعقیب خط

توضیحات

  روبات تعقیب خط دارای 130 صفحه می باشد و دارای تنظیمات و فهرست کامل در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد روبات تعقیب خط  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : توضیحات زیر بخشی از متن اصلی می باشد که بدون قالب و فرمت بندی کپی شده است

بخشی از فهرست مطالب پروژه روبات تعقیب خط

1-1 روبات تعقیب خط چیست 
1-2 بلوک دیاگرام یک روبات تعقیب خط 
1- 3 عملکرد روبات تعقیب خط 
2- 1سنسورهای روبات تعقیب خط 
2- 2 سنسور CNY70 
2-3 تعداد سنسورها 
3-1تبدیل و انتقال خروجی سنسور به مدار پردازشگر 
3-1-1مدار سوییچینگ 
3-1-2مدار ترانزیستوری 
3-1-3مدار اشمیت تریگر 
3-1-4تبدیل خروجی آنالوگ سنسور به ولتاژ دیجیتال به کمک A / D 
3-1-5 مدار سوییچ با آپ امپ 
3-2آشنایی با تقویت کننده های عملیاتی (Opamp): 
3-2-1اتصالات تغذیه تقویت کننده های عملیاتی 
3-2-2 ولتاژ تفاضلی تقویت کننده های عملیاتی: 
3-2-3 اشباع 
موتور و مدارهای کنترل 
4-1موتور DC 
4-1-1مدار کنترلی آرمیچر 
4-2موتور پله ای ( Stepper Motor ) 
4-3 درایور ها (راه انداز) 
4-4آی سی های درایور موتور L293B , 754410 یا L293D 
4-5 مقدار جریان ماکسیمم یک سیم 
4-6مدولاسیون پهنای پالس PWM 
4-7آی سی های دیگر برای راه اندازی موتور پله ای 
4-8حسگر جریان و محافظت در برابر اضافه جریان 
4-9طول و عمر موتور 
4-10حفاظت در برابر اضافه حرارت 
4-11شناسایی موانع 
5-1مدار منطقی 
5-2میکروکنترلر 
5-3BASCOM 
منابع 

بخشی از منابع و مراجع پروژه روبات تعقیب خط

1-اصول و راهنمای رباتیک (محمد مشاقی طبری) انتشارات نگین دانش

2-ساخت محرک های ربات (clark,dennis مترجم عابد ناصری) انتشارات نشر علوم

3-میکروکنترلرهای AVR (علی کاهه) انتشارات نص

4-ربات تعقیب خط (عابد ناصری) انتشارات فنی حسینیان

1-1 روبات تعقیب خط چیست

روبات تعقیب خط ماشینی است که می تواند یک مسیر را دنبال کند. مسیر می تواند مرئی باشد مانند یک خط مشکی بر یک سطح سفید (تعقیب خط) و یا نامرئی مانند یک میدان مغناطیسی در فضای ازاد باشد. هدف طی مسیر بابیشترین سرعت و کمترین خطا نسبت به مسیر تعیین شده است. کاربرد های عملی یک چنین روباتی شامل اتومبیل های خودکار که جاده را از طریق یک مسیر راهنمای مغناطیسی دنبال می کنند یا روبات های کارگر که در کارخانه ها مسیر مشخصی را از طریق خطوط رنگی حک شده بر کف ان طی می کند می شود

 روبات تعقیب خط روباتی ایده ال برای روبات سازان اماتور می باشد. حس کردن خط و واداشتن روبات به حرکت بر روی ان به همراه اصلاح دائمی حرکت های نادرست از طریق یک مکانیزم فیدبک یک حلقه بسته ساده را ایجاد میکند

صورت مسئله ساخت روبات تعقیب خط در مسابقات مختلف دارای جزئیات زیاد و بعضا متفاوتی است اما اصل موضوع در همه انها این است که روبات باید بتواند یک خط مشکی به عرض 18 سانتی متر(معمولا چسب برق) را در یک صفحه سفید دنبال کند.یعنی وقتی در ابتدای خط مشکی تنظیم و سپس روشن شود بدون نیاز به دخالت کاربر به دنبال خط مشکی حرکت کند در شکل بالا روباتی که قصد ساختن ان را داریم به همراه مسیر ان مشاهده می شود

 البته در بعضی روبات های پیشرفته تر نیازی به تنظیم کردن روبات روی خط مشکی نیست و خود روبات به صورت هوشمند خط را پیدا می کند که این بخاطر برنامه خوب نوشته شده برای میکرو ان توسط سازنده است. در روباتی که در این پروژه ساخته می شود سعی شده است این اصل رعایت شود

1-2 بلوک دیاگرام یک روبات تعقیب خط

از نظر کلی هر روبات باید

از طریق سنسورهایش ( حسگرها ) اطلاعاتی را از دنیای خارج جمع آوری کند
این اطلاعات را به اطلاعات قابل فهم مغز پردازشگر خود تبدیل و به آن منتقل کند
بر طبق برنامه ریزی قبلی ، اطلاعات را پردازش و تصمیم مناسب را اتخاذ کند
تصمیمات نهایی را به کمک عملگرهایش  اجرا کند

  تفاوت روبات های مختلف به ماهیت این مراحل برمی گردد

روبات تعقیب خط هم همین اجزاء را درون خودش دارد

برای حس کردن خط به دست کم دو سنسور نوری که تفاوت رنگ سفید و مشکی را درک کنند نیاز دارد . این سنسورها انواع مختلفی مانند دیود مادون قرمز ، مقاومت متغیر با نور (فوتوسل )، فوتو – ترانزیستور و . . . دارند
اطلاعات سنسور از طریق یک مدارسوییچ یا مبدل آنالوگ به دیجیتال به واحد پردازشگر منتقل می شود
مغز پردازشگر این روبات می تواند یک مدار منطقی یا یک میکروکنترلر از هر نوعی باشد . روبات باید در قبال منحرف شدن خط ، واکنش مناسب نشان دهد
تصمیم واحد پردازشگر مبنی بر ادامه مسیر یا پیچیدن به چپ و راست از طریق فرمان هایی که به موتورهای روبات که ممکن است از نوع DC ( آرمیچر) یا پله ای ( Stepper ) باشند داده می شود ، انجام می پذیرد

1- 3 عملکرد روبات تعقیب خط

روبات تعقیب خط دست کم دارای دو سنسور نوری است که دو طرف مشکی در زمینه سفید قرار می گیرند ( تعداد سنسورها به طریقی که خواهیم دید می توان بیش از دو عدد باشد )برای اشکار سازی یک مسیر رنگی بر روی سطحی که اختلاف رنگ زیادی با مسیر دارد(مسیر مشکی بر سطح سفید یا مسیر سفید بر سطح مشکی) عموما از حسگرهای مادون قرمز استفاده می شود. هر حسگر بر اساس انکه بر روی مسیر رنگی قرار داشته باشد یا خیر یک سیگنال خروجی انالوگ تولید می کند.مدارات الکترونیکی برخی از روبات های تعقیب خط ابتدا سیگنال تولید شده را توسط یک مقایسه کننده با یک مدار مرجع مقایسه و نتیجه ی دیجیتال حاصل که یکی از دو حالت “روشن” یا “تیره” است را به قسمت کنترلر ارسال می کنند. بدین ترتیب اطلاعاتی که از حسگر به دست می اید فقط دارای دو حالت “حسگر بر روی مسیر قرار دارد”  و ” حسگر خارج از مسیر قرار دارد” خواهد بود و هیچ حالت دیگری در این بین وجود نخواهد داشت

در مقابل در برخی دیگر از روبات های تعقیب خط سیگنال انالوگ حسگرها توسط مبدل انالوگ به دیجیتال به مقادیر دیجیتال تبدیل شده و به بخش کنترلر فرستاده می شود. با این روش معلوم
می شود که هر حسگر تا چه اندازه بر روی مسیر قرار دارد یا از ان منحرف شده است. که البته روباتی که قصد ساخت ان را داریم از روش اول بهره می گیرد یعنی اطلاعات هر سنسور را توسط یک مقایسه کننده به صورت یک یا صفر تبدیل کرده بعد به کنترلر ارسال می کند

اطلاعات ارسالی از سنسورها که ممکن است به صورت انالوگ یا دیجیتال (صفر و یک) باشد به بخش پردازشگر روبات که می تواند از مدارات منطقی یا یک میکر کنترلر تشکیل شده باشد فرستاده می شود دراین قسمت که در واقع مغز روبات می باشد با استفاده از اطلاعات سنسورها وضیعت روبات را نسبت به خط (میسر) تشخیص داده و برای ادامه یا اصلاح مسیر دستوراتی را به موتورها و یا عملگرها ی روبات ارسال می کند که ممکن است روبات به سمت چپ یا راست یا میسر مستقیم حرکت کند

دستورات بخش پردازشگر به صورت دیجیتالی (صفر یا یک) است که توسط قسمتی به نام درایور باید تشخیص داده شود وموتورها را کنترل کند. در واقع ما بین پردازشگر و موتورها یا عمل کننده ها بخشی به نام درایور داریم

در زیر عملکرد یک روبات تعقیب خط 2 سنسوره را طبق انچه در در قسمت فوق توضیح داده شد به صورت گرافیکی مشاهده می کنید

 روبات های تعقیب خط را  بر اساس ساختار حرکتشان می توان به انواع مختلفی تقسیم کرد که در زیر چند نمونه را مشاهده ذکر شده

1- حرکت تانکی

2- یا حرکت با 4 چرخ 3 موتور که 2 موتور برای حرکت به جلو و یک برای چرخش به چپ یا راست

3- یا حرکت با 2 چرخ  و 2 موتور و  یک سکان که 2 موتور علاوه بر حرکت به جلو وظیفه چرخش به چپ یا راست را هم دارد

 روباتی که ما قصد ساختن ان را در این پروژه داریم از سیستم  نوع  سوم برای حرکتش بهره می گیرد حرکت این روبات به صورت زیر عمل می باشد

هرگاه روبات در حین حرکت به انحرافی در خط مشکی برخورد کند ، یکی از سنسورهایش وارد خط می شود ؛ مثلاً اگر خط مشکی به راست منحرف شود ، سنسور سمت راست روبات وارد خط مشکی می شود . روبات باید با توجه به سنسوری که وارد خط شده انحراف خط را متوجه شود و به همان جهت بپیچد . ساده ترین راه برای پیچیدن یک سمت ، خاموش کردن موتور همان سمت و ادامه کار موتور سمت مخالف است

برای پیچیدن به شیوه حرفه ای تر می توانید به جای خاموش کردن موتور سمت موافق ، آن را در جهت معکوس بچرخانید

  با این کار روبات در حین پیچیدن روی زمین کشیده نمی شود و می تواند درجا بچرخد

چرخیدن روبات باید تا آن جایی انجام شود که سنسوری که وارد خط شده بود ، از خط خارج شود ؛ یعنی مجدداً تمام سنسورها خارج خط قرار گیرند تا روبات بتواند به حرکت عادی خود ادامه دهد

 2- 1سنسورهای روبات تعقیب خط

همان گونه که گفته شد ، روبات تعقیب خط باید از طریق سنسورهایش خط را حس کند و انحراف آن را تشخیص دهد . برای این کار به یک سنسور نوری نیاز داریم

 بلوک دیاگرام سنسور نوری به شکل روبرو است

 یک فرستنده نوری و یک گیرنده نوری را زیر روبات کنار هم قرار می دهیم ؛ به صورتی که گیرنده مستقیماً در معرض نور ارسالی از فرستنده نباشد و تنها انعکاس آن از سطح مقابل را دریافت کند . از آن جایی که مقدار نور بازگشتی از سطح مشکی کمتر از مقدار نور بازگشتی از سطح سفید است ، به کمک تحلیل مقدار نور دریافتی از سطح ، می توان مشکی و سفید بودن سطح را تشخیص داد . شکل زیر را ببینید

2-1-1 دیود مادون قرمز

فرستنده و گیرنده مادون قرمز دو دیود کاملاً مشابه هستند . یکی از آن ها امواج مادون قرمز را از خود ساطع و دیگری دریافت می کند

توجه کنید که دیود گیرنده در بایاس معکوس بسته شده است ؛ بنابراین اگر میزان نور مادون قرمزی که به آن می تابد کم باشد ( مثلاً هنگام بازتابش از سطح مشکی) دیود هدایت نمی کند و ولتاژ out بالا خواهد بود . اگر نور مادون قرمز به میزان زیاد به دیود بتابد ، هدایت می کند و ولتاژ out پایین می رود . بنابراین اگر برای تشخیص خط مشکی در زمینه سفید در روبات تعقیب خط از دیودهای مادون قرمز استفاده کنید ، در حالتی که فرستنده / گیرنده مقابل سطح سفید قرار دارد ، ولتاژ out پایین تر از وقتی است که فرستنده / گیرنده وارد خط شده است

2-1-2 مقاومت متغیر با نور ( فوتو – رزیستور یا فوتوسل )

مقاومت های معمولی تحت شرایط مختلف ( جریان ، توان ، دما ، فشار ، رطوبت ، نور ، . . . ) مقاومت تقریباً یکسانی دارند ( البته وقتی این شرایط در بازه های مجاز مربوط به آن مقاومت تغییر کنند ) . اما مقاومت هایی نیز وجود دارند که با تغییر شرایط ، مقاومت متغیری از خود بروز می دهند؛ مثلاً ترمیستور یک مقاومت متغیر با دما است و با تغییر دمای محیط مقدار مقاومت آن تغییر می کند . از ترمیستور به عنوان سنسور دما می توان استفاده کرد .
فوتوسل (Photocell) مقاومت متغیر با نور معمولی است . مقدار این مقاومت بسته به مقدار نوری که به آن می تابد تغییر می کند . برای استفاده از این سنسور در روبات تعقیب خط کافی است آن را همراه با یک فرستنده نوری معمولی مثلاً یک LED به کار برید . بهتر است رنگ LED را

طوری انتخاب کنید که بیشترین درخشش را داشته باشد ( مثلاً نارنجی تند ) . مدار زیر را ببینید

بسته به مقدار نور انعکاسی از سطح (‌ که به سفید یا مشکی بودن آن بستگی دارد) ، ولتاژ Vout تغییر می کند . به بیان دیگر ، ولتاژ Vout با توجه به مقدار مقاومت فوتوسل و مقاومت سری شده با آن ، در دو سطح مشکی و سفید دو مقدار متفاوت دارد . از روی مقدار این ولتاژ ، روبات می تواند خط را تشخیص دهد

2-1-3 فوتو – ترانزیستور

در ترانزیستورهای معمولی دو پیوندی (BJT) ، مقدار جریان lc که از کلکتور به امیتر جریان دارد ، بسته به جریان lB که به بیس آن ها وارد می شود تغییر می کند . بنابراین با یک پیکربندی مناسب می توان با تغییر ولتاژ ( جریان ) بیس ، ولتاژ کلکتور را تغییر داد

در فوتو – ترانزیستور ، آن چه باعث تغییر جریان کلکتور به امیتر می شود ، نه جریان بیس ، بلکه نوری است که به بیس می تابد . بنابراین بسته به نوری که به بیس فوتو – ترانزیستور می تابد
( که با انعکاس از دو سطح سفید و مشکی متفاوت است ) ، ولتاژ کلکتور تغییر می کند . این نور بسته به نوع فوتو-ترانزیستور ، می تواند نور معمولی یا مادون قرمز باشد . مدار فرستنده –گیرنده فوتو-ترانزیستور به مدار فوتوسل شباهت زیادی دارد

حال با توجه به معرفی و بررسی انواع سنسورهای مادون قرمز ما در این پروژه برای روبات خود از سنسورهای نوع مادون قرمز استفاده می کنیم

در ذیل سنسور مادون قرمز  CNY70 که ما در این پروژه قصد داریم از  ان استفاده کنیم  به همراه Datasheet ان تشریح می شود

2- 2 سنسور CNY

این سنسور به صورت یک بسته حاوی دو عدد سنسور مادون قرمزاست. یک سنسور فرستنده و سنسور دیگر گیرنده می باشد. برای اینکه روبات شما بهتر کار کند بهتر است بجای استفاده از دو سنسور مادون قرمز به صورت مجزا از این packeg  سنسور استفاده کنید. در این سنسور پایه های بلندتر در هر سمت سمت آند و پایه های کوتاهتر سمت کاتد است

با استفاده از این نوع سنسور میزان خطاها تا حد قابل ملاحظه ای کاهش می یابد

2-3 تعداد سنسورها

شیوه های زیادی برای دنبال کردن یک خط توسط روبات وجود دارد که در تمامی آنها از تعدادی سنسور برای این کار استفاده     می شود. اگر خط تنها پیچ و انحراف داشته باشد ، دو سنسور که دقیقاً دو سمت خط قرار گرفته باشد ، کافی است . اما معمولاً در مسابقات رسمی ، خط دارای بریدگی ها و تقاطع هایی با زوایا و اندازه های مختلف است . اگر تنها از دو سنسور استفاده کنید ، ممکن است خط را گم کنید . بنابراین اگر چند سنسور در فواصل و زوایای مختلف تعبیه کنید مفید خواهد بود

اکنون حالت های مختلف سنسورها از لحاظ تعداد و نحوه چیدن انها را بررسی می کنیم. در واقع  قصد داریم درباره ی تاثیر تعداد سنسورها در توانایی روبات برای تعقیب خط بحث کنیم و در نهایت بهترین حالت را برای روبات خود انتخاب می کنیم

2-3-4استفاده از 5 سنسور: (The Line Dancer)

ممکن است این سوال مطرح شود که 3 سنسور برای کنترل کامل ربات کافی می باشد در اینصورت دلیل استفاده از 2 سنسور اضافه چیست؟

استفاده از 2 سنسور دیگر به ترتیبی که در زیر نشان داده شده است قا بلیت اطمینان را بالا  می برد و همچنین روبات می تواند پیچ های تند تر را نیز تشخیص دهد

3-1تبدیل و انتقال خروجی سنسور به مدار پردازشگر

خروجی هر کدام از مدارات سنسوری بخش قبل ، یک ولتاژ آنالوگ ( پیوسته ) بین صفر تا 5 ولت است که بسته به این که سنسور در محیط سفید یا مشکی باشد ، مقادیر مختلفی خواهد داشت . مثلاً فرض کنید خروجی یک سنسور نوری در محیط کاملاً سفید حدود 2/1 ولت است و با ورود کامل آن سنسور به خط مشکی خروجی سنسور 8/3 ولت می شود ( تلاش نکنید سنسور خود را طوری بسازید که ولتاژ خروجی آن دقیقاً منطبق بر این مقادیر باشد ! این تنها مثالی برای درک شما از موضوع است ). مدار پردازشگر باید بر اساس این دو مقدار واکنش مناسب را نشان دهد و روبات را هدایت کند . اما مدارهای پردازشگر ( چه مدار منطقی و چه میکروکنترلر ) تنها مقادیر دیجیتال را
می شناسند . یعنی باید با آن ها به زبان «صفر» و «یک» صحبت کرد

در منطق ولتاژهای دیجیتال ، از ولتاژ بین صفر تا حدود 8/0 ولت به «صفر منطقی» و از ولتاژ بین 3 تا 5 ولت به «یک منطقی» تعبیر می شود

بنابراین اگر مثلاً خروجی یک سنسور نوری در محیط کاملاً سفید 2/1 ولت و در محیط کاملاً مشکی 8/3 ولت باشد ، یک مدار منطقی یا میکروکنترلر هیچ درکی از آن نخواه داشت . بلکه این ولتاژها باید به مقادیر دیجیتال تبدیل شوند تا قابل درک توسط مدار پردازشگر باشند

برای تبدیل خروجی آنالوگ سنسور به مقدار دیجیتال دو راه وجود دارد

به کمک یک مدار سوییچینگ شما می توانید از روی خروجی آنالوگ سنسور ، «بودن» یا «نبودن» سنسور در خط را مشخص کنید

اگر از مدار مبدل آنالوگ به دیجیتال (A/D ) استفاده کنید ، می توانید درصد وارد شدن سنسور به خط را نیز تشخیص دهید

3-1-1مدار سوییچینگ

به کمک یک مدار الکترونیکی سوییچینگ می توان ولتاژ آنالوگ خروجی سنسور را به یک ولتاژ دیجیتال «صفر» یا «یک» قابل درک توسط مدار منطقی یا میکروکنترلر تبدیل کرد . به زبان ساده مداری می خواهیم که مثلاً وقتی سنسور در منطقه سفید است «صفرمنطقی» و وقتی وارد منطقه مشکی می شود ، «یک منطقی» را به عنوان خروجی تولید کند . با این کار ، مدار پردازشگر از روی این ولتاژ متوجه «ورود» یا «عدم ورود» روبات به خط مشکی می شود

به یک نکته مهم توجه کنید . فرض کنید هنگامی که سنسور کاملاً از خط مشکی خارج است
( در محیط کاملاً سفید است ) دارای خروجی 2/1 ولت می باشد و با ورود کامل به خط مشکی دارای ولتاژ 8/3 ولت می شود

می خواهیم این ولتاژهای آنالوگ را به کمک یک مدار سوییچینگ به گونه ای به یک ولتاژ دیجیتال تبدیل کنیم که وقتی سنسور در منطقه سفید است «صفر منطقی» و وقتی وارد منطقه مشکی می شود ، «یک منطقی» را به عنوان خروجی داشته باشیم . هنگامی که سنسور از زمینه سفید وارد خط مشکی می شود ، خروجی سنسور به مرور از 2/1 ولت تا 8/3 ولت تغییر می کند

 به نظر می آید روبات باید طوری طراحی شود که با رسیدن ولتاژ خروجی سنسور به میانه این بازه ( مثلاً 5/2 ولت ) با توجه به این که سنسور کم و بیش وارد خط شده ، خروجی مدار سوییچینگ از «صفر» به «یک» تغییر کرده و جهت حرکت روبات تغییر کند . به این ولتاژ که با گذر از آن عمل سوییچینگ اتفاق می افتد ، اصطلاحاً نقطه آتش (Trigger Poin ) گفته می شود

مقدار ولتاژ نقطه آتش چقدر باید باشد ؟ به بیان دیگر ولتاژ خروجی سنسور باید به چه حدی برسد تا نتیجه بگیریم سنسور وارد خط شده و جهت حرکت روبات را اصلاح کنیم ؟ 5/1 ولت کم نیست ؟ 5/2 ولت بهتر نیست ؟ اصلاً بهتر نیست صبر کنیم سنسور کاملاً وارد خط شود و ولتاژ خروجی آن به 8/3 ولت برسد و بعد جهت حرکت روبات را تغییر دهیم ؟

واقعیت این است که پاسخ به این سؤال به مکانیک و نیز مدار کنترلی روبات شما بستگی دارد . در واقع باید ببینید دقت چرخش روبات شما در چه حد است ؟ اگر  می تواند بسیار سریع و دقیق بچرخد ، نیازی نیست خیلی زودتر از ورود کامل سنسور به خط به روبات فرمان چرخش داده شود . اما اگر چرخش روبات کند و همراه با خطاست ، شاید بهتر باشد زمانی که نیمی از سنسور وارد خط شده فرمان چرخش بدهیم تا روبات در زمان مناسب بتواند بچرخد

اکنون می خواهیم یک مدار سوییچینگ بسازیم که عبور ولتاژ خروجی سنسور از ولتاژ نقطه آتش را تشخیص دهد ؛ به بیان دیگر باید مداری طراحی کنیم که مثلاً در ولتاژ ورودی کمتر از ولتاژ نقطه آتش ، خروجی «صفر» ( یعنی ولتاژی بین صفر تا 8/0 ولت ) و در ولتاژ ورودی بیشتر از ولتاژ نقطه آتش ، خروجی «یک» ( ولتاژی بین 3 تا 5 ولت ) بدهد . یک مدار منطقی یا میکروکنترلر می تواند از روی این خروجی «صفر» یا «یک» ، متوجه «ورود» یا «عدم ورود» روبات به خط مشکی بشود .ساخت مدار سوییچینگ راه های مختلفی دارد

3-1-2مدار ترانزیستوری

برای دریافت اینجا کلیک کنید