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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Robot alimenté par des cellules solaires. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives L'enfance laisse une trace en chacun de nous, quel que soit son âge ; il est le plus souvent associé à l'amour des jouets. Apparemment, l'amour pour des jouets tels que les robots a pris possession de nous plus tard sous l'influence de l'intérêt général pour l'exploration spatiale, cependant, plus il y a de raisons qui nous encouragent à être accro aux robots, mieux c'est. Ce chapitre offre l'occasion de rencontrer un charmant petit ami robot nommé Harvey. C'est très amusant de jouer avec, mais c'est tout aussi amusant de le fabriquer soi-même. Alors que la plupart des robots sont très capables, Harvey est moins important à cet égard. C'est une personne directe avec un seul objectif : suivre la ligne blanche. En fait, il suivra inlassablement le chemin prévu autour du globe et reviendra. De plus, il "se nourrit" du soleil. Contrôle des robots Tout robot doit avoir de la mobilité, c'est-à-dire se déplacer d'un endroit à l'autre, ainsi que des capacités de navigation dans le processus de déplacement. Ces deux exigences distinctes mais liées sont satisfaites par deux dispositifs distincts. Le premier contrôle le mouvement mécanique du robot. Des servomécanismes sont utilisés pour cela. Un servo est une partie mécanique d'un robot, semblable aux muscles humains. Harvey a besoin de deux systèmes d'asservissement : un pour avancer (comme un moteur de voiture), l'autre pour contrôler le mouvement. Le fonctionnement conjoint de ces deux systèmes n'est pas toujours facile à assurer. Le problème est résolu de deux manières. Dans le premier d'entre eux, les deux fonctions sont combinées en une seule. Tournons-nous vers la figure 1 pour une explication. XNUMX.
Système de contrôle de mouvement actif Pour déplacer le chariot (robot de Harvey), le plus simple est de mettre les roues motrices sur l'axe et de le faire tourner. Conçus pour cet appareil inventé il y a longtemps, ils comprennent des entraînements par chaîne, courroie trapézoïdale et engrenage, entraînement direct (du moteur). Lorsque les deux roues tournent à la même vitesse, le robot avance en ligne droite (naturellement, si les deux roues ont le même diamètre). La vitesse de déplacement du robot est proportionnelle à la vitesse de rotation des roues. Considérons le cas où les vitesses de rotation des roues ne sont pas les mêmes. Ceci peut être réalisé en divisant l'essieu en deux et en fournissant à chaque roue un entraînement séparé. Comme précédemment, le robot se déplace en ligne droite si les deux roues tournent à la même vitesse. Si la vitesse de rotation d'une roue, par exemple celle de gauche, diminue, le chariot tournera vers la gauche. Pourquoi? Toute la raison réside dans le fait qu'une roue tournant à une vitesse inférieure forme en fait un point d'appui (même s'il est en mouvement), autour duquel se déplace une autre roue avec une vitesse de rotation plus élevée. En pratique, si la roue gauche est complètement arrêtée, alors le chariot décrira un petit cercle en place avec un rayon égal à la distance entre les roues. De même, la rotation lente de la roue droite par rapport à la gauche fait tourner le robot vers la droite. En fait, les fonctions de deux mécanismes sont réunies ici en un seul. Le changement séparé de la vitesse de rotation des roues fournit non seulement le mouvement du chariot, mais également le contrôle de la direction du mouvement. Dans de nombreux robots, un arrêt à court terme de la rotation de l'une ou l'autre roue est le plus souvent utilisé, et ainsi le contrôle de mouvement nécessaire est obtenu. Ce principe de mouvement s'accompagne d'une légère secousse, cependant, si le temps pendant lequel la roue ne tourne pas est suffisamment court, les à-coups sont lissés et le mouvement devient relativement fluide. Contrôle de mouvement passif Dans la deuxième méthode, les fonctions de mouvement et de commande sont séparées. Il y a un essieu fixe pour assurer un mouvement en ligne droite, et un volant avant pivotant (ou une paire de roues) est utilisé pour changer de direction. La conduite est basée sur ce principe.
Lorsque la roue pivotante est parallèle aux roues motrices, le robot se déplace exactement vers l'avant (Fig. 2). Tournez le volant vers la gauche et il tournera vers la gauche, tournez vers la droite et le robot tournera vers la droite, tout comme une voiture. L'avantage de cette méthode est la présence d'un contrôle en douceur. Le robot peut tourner progressivement ou d'un coup, tandis que les roues arrière ne doivent jamais s'arrêter. Pour des raisons qui deviendront claires plus tard, cette méthode a été choisie pour contrôler le robot de Harvey. Dans ce cas, le volant est entraîné par un petit moteur électrique. етронное авление Nous sommes arrivés à l'étape suivante de la création d'un robot - un système de contrôle de suivi. Sans une certaine intelligence, Harvey "rôdait" simplement au hasard d'un côté à l'autre. Le plus souvent, le contrôle moteur est une question d'électronique. Pour "voir" la ligne blanche de Harvey, il faut des "yeux". Les yeux de Harvey sont une paire de phototransistors Q1 et Q2 illustrés à la fig. 3. Un phototransistor est un transistor ordinaire dont le haut du boîtier est retiré et la base éclairée par la lumière. La lumière est généralement focalisée sur la jonction pn à l'aide d'une lentille, qui sert également de couvercle pour le boîtier du transistor.
Lorsque la lumière atteint la région de base, un courant de collecteur traverse le transistor proportionnel à l'intensité de la lumière.En d'autres termes, le signal qui irait normalement à la broche de base est maintenant généré par la lumière incidente. Dans la plupart des cas, y compris le nôtre, le phototransistor n'a que deux sorties et il n'y a pas de sortie de base. Les phototransistors sont connectés à des amplificateurs opérationnels (amplificateurs opérationnels) en fonction du circuit convertisseur courant-tension. Comme vous le savez depuis les bases de l'électronique, un amplificateur opérationnel est un amplificateur de courant. La tension de sortie de l'amplificateur dépend du courant traversant l'entrée inverseuse.Dans un circuit classique, le signal de sortie est renvoyé à l'entrée inverseuse, où le signal est sommé. Lorsque le courant de retour et le courant d'entrée sont égaux, l'amplificateur est dans un état d'équilibre. Si une résistance (R2 sur la figure 3) est incluse dans le circuit de rétroaction, la chute de tension aux bornes de cette résistance sera proportionnelle au courant qui la traverse. De plus, cette tension est proportionnelle au signal d'entrée et est prélevée sur la broche à la sortie de l'ampli-op. De plus, l'ampli-op a une autre caractéristique intéressante dont nous avons profité. Cela fait référence à la présence d'entrées différentielles. Leur particularité est que le signal appliqué à l'entrée différentielle non inverseuse sera en fait soustrait du signal à l'entrée différentielle inverseuse. Il y a une sorte d'exercice d'équilibre. Lorsque les courants d'entrée sur les broches 2 et 3 sont égaux, ils s'annulent et aucun courant de retour n'est nécessaire pour équilibrer le circuit. Par conséquent, la chute de tension aux bornes de la résistance R2 est nulle même en présence d'un signal. Les courants d'entrée sont déterminés par les courants de collecteur des phototransistors Q1 et Q2. Avec un éclairement égal des transistors avec de la lumière, des courants égaux circulent. Puisqu'il est impossible de trouver une paire de transistors avec des caractéristiques parfaitement adaptées, une résistance variable VR1 est utilisée dans le circuit pour éliminer la petite différence entre les deux "yeux" de Harvey. Les phototransistors sont placés sur un petit panneau comme celui illustré à la Fig. 4, et sont séparés par une cloison sur laquelle se trouve une puissante LED infrarouge SD1.Étant donné que les phototransistors sont isolés de cette source lumineuse, son rayonnement ne tombe pas directement sur eux. Si vous rapprochez l'appareil d'une surface réfléchissante, tout change. La lumière est réfléchie par la surface et détectée par des phototransistors. La quantité de lumière atteignant les phototransistors dépend des propriétés optiques de la surface réfléchissante. Un principe similaire sous-tend la vision de Harvey. Plus de lumière sera réfléchie par une surface claire semblable à un miroir que par une surface sombre.La surface blanche a la réflectivité la plus élevée, la réflectivité de toutes les autres couleurs diminue en fonction de leur coefficient d'absorption. Une surface noire reflète le moins de lumière.
Vous pouvez analyser le principe de l'action de Harvey en utilisant une ligne blanche sur un fond sombre. Tout d'abord, plaçons le robot exactement au-dessus de la ligne blanche, afin que les photocapteurs répondent de la même manière au rayonnement infrarouge. Ensuite, il n'y aura pas de tension à la sortie de IC1. Si vous déplacez le robot vers la gauche ou vers la droite, le phototransistor correspondant s'écartera de la ligne blanche et recevra donc moins de lumière que l'autre. Une tension d'une polarité ou d'une autre apparaîtra à la sortie de l'amplificateur opérationnel. Nous avons maintenant un signal correspondant à la position du robot par rapport à la ligne blanche lorsqu'il se déplace le long de cette "autoroute". La tension de sortie de l'amplificateur opérationnel est envoyée à deux comparateurs, IC2 et IC3, connectés dans un circuit à deux seuils.Avec cette connexion, les deux sorties sont à faible potentiel si la tension d'entrée se situe dans certaines limites fixées par le diviseur sur les résistances R4 , R5 et R6. Si la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel tombe en dessous de la limite inférieure de la plage définie, le comparateur sur IC3 est déclenché et sa sortie est réglée sur un potentiel élevé. Le courant de base ouvre le transistor Q4 et relie le moteur de direction à la borne négative (-3 V) de l'alimentation. Le moteur, à son tour, en modifiant l'angle de rotation du volant, élimine le déplacement de la surface réceptrice de lumière des phototransistors par rapport à la ligne blanche. La même chose se produit lorsque la tension à la sortie de l'ampli-op dépasse la limite supérieure. Le comparateur sur IC2 se déclenche et active le transistor Q3. Maintenant, le moteur de direction est connecté à la borne positive (+3V) de l'alimentation et tourne dans le sens opposé, compensant à nouveau le lacet. Si la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel est nulle, les deux transistors Q3 et Q4 sont fermés. Fabriquer le robot Harvey Maintenant que nous avons terminé notre introduction aux systèmes de base du robot, nous sommes arrivés à l'étape tant attendue de la construction de votre propre robot Harvey. Construire un robot demandera un peu plus d'efforts que la plupart des travaux manuels de ce livre, surtout si vous utilisez une variété de matériaux à portée de main. Je dois avouer que j'ai grandement simplifié la chose. Je suis allé au magasin de pièces radio le plus proche le premier jour du Nouvel An et j'ai acheté (mieux que de le faire moi-même) une voiture télécommandée jouet qui avait déjà tous les composants mécaniques prêts. J'ai choisi une voiture cassée ramenée au magasin après les fêtes qui allait être jetée. Le jouet n'avait pas d'émetteur, mais tous les moteurs et le mécanisme de commande de mouvement étaient utilisables et en état de marche. Tout d'abord, l'achat a permis d'économiser beaucoup de temps et d'argent. Maintenant que j'ai la conscience tranquille et que j'ai avoué comment j'ai réussi à accélérer le travail sur la création du robot, continuons. Tout d'abord, sortez tout de la voiture. Il est nécessaire de ne laisser que le châssis avec roues, le moteur de roue motrice et le dispositif de direction avec son propre moteur. La voiture a généralement un compartiment à piles. Si la voiture est télécommandée, conservez le récepteur et l'émetteur pour vos futurs appareils maison. Tout d'abord, installez le panneau avec des phototransistors et des LED en bas et devant le châssis de la voiture. Dans un morceau de plastique épais et sombre, j'ai découpé un panneau dont la forme est illustrée à la fig. 4. Si vous le souhaitez, vous pouvez installer des phototransistors et des LED directement sur le châssis de la voiture, tandis qu'il doit y avoir un dégagement suffisant entre le point le plus bas du châssis et les obstacles pouvant être rencontrés sur le chemin. Aussi, gardez à l'esprit que plus vous avancez le photodétecteur, plus il sera sensible aux petits changements des conditions routières (décalage par rapport à la ligne blanche). Si vous voulez faire un compromis entre la vitesse du robot et la fluidité de son mouvement, installez des phototransistors plus près des roues motrices.
N'oubliez pas de protéger les phototransistors de la LED. Vous pouvez utiliser un petit morceau de plastique opaque ou de papier comme amortisseur. L'étape suivante consiste à assembler le circuit de commande. Comme dans le cas de la plupart des dispositifs décrits dans ce livre, il est assemblé à l'aide d'une carte de circuit imprimé dont le schéma est représenté sur la fig. 5, et le placement des pièces - sur la fig. 6. Vérifiez la connexion de toutes les sources d'alimentation. Ne prenez pas le temps pour cela, sinon le robot fonctionnera de manière instable. La roue motrice et les moteurs de direction sont protégés par des chaînes RC (respectivement R9, C8 et R10, C9). Après avoir monté les composants radio sur la carte, insérez-la à la place de la carte récepteur de la radiocommande. Lors de l'assemblage final, fixez les fils du phototransistor aussi loin que possible des fils de connexion aux moteurs. IC1 a un gain très élevé et peut facilement amplifier les signaux d'interférence. Si vous devez faire face au bruit, utilisez un fil blindé pour connecter les phototransistors. Il y a suffisamment d'espace dans le compartiment à piles pour les piles qui alimentent Harvey, mais leur inclusion doit être modifiée conformément au schéma, en faisant un robinet depuis le point de connexion des deux piles. Utilisez l'interrupteur fourni dans le circuit électrique de la petite voiture. Le robot nécessite un ensemble de piles d'une tension totale de 9 V. Par conséquent, l'espace libre dans le compartiment des piles peut être utilisé pour placer d'autres composants de circuit, dont certains sont décrits ci-dessous. Bilan de santé Harvey Après vous être assuré que l'installation est correcte, vous pouvez procéder au premier test des performances du robot. Avec l'interrupteur d'alimentation éteint, placez quatre piles rechargeables au nickel-cadmium dans le compartiment à piles. Après avoir allumé l'interrupteur à bascule, le robot doit avancer et tourner. Vérifiez soigneusement la nature du mouvement du robot. La direction peut être testée en éclairant d'abord une lampe de poche sur un phototransistor, puis sur l'autre. Si le sens de rotation d'un moteur est incorrect, inversez la polarité de la connexion de ses sorties. Vérifiez maintenant le travail du robot de Harvey sur un cercle décrit par une bande blanche, mieux dessinée sur un fond noir. Le rayon du cercle ne doit pas être inférieur au rayon de braquage du volant. Après avoir placé Harvey sur la bande de piste, allumez le courant et suivez le mouvement du robot. Source d'électricité Dans la conception du robot Harvey, essentiellement deux systèmes optoélectroniques sont utilisés, qui diffèrent par le principe de fonctionnement. Nous avons déjà traité l'un d'entre eux ("vision" du robot) ; son fonctionnement est assuré par des éléments photosensibles (phototransistors) qui contrôlent le courant du moteur de direction.
Un autre système optoélectronique du robot est une batterie solaire qui maintient les batteries chargées. C'est difficile à croire, mais Harvey "mange" une très petite quantité d'électricité. En effet, un jeu de piles rechargeables complètement chargé durera environ 1 heure de fonctionnement autonome, après quoi, le robot doit être allumé pour reprendre le fonctionnement. Si Harvey est au soleil, il se rechargera en se déplaçant.
Pour répondre à ses besoins, seules 12 cellules solaires sont nécessaires. Bien que n'importe quelle cellule générant 80 mA ou plus puisse être utilisée, j'ai trouvé que deux tailles étaient les plus appropriées. Une batterie d'éléments de la première taille standard, illustrée à la fig. 8 est constitué de trois éléments ronds divisés en quatre parties ; ces pièces sont connectées en série avec la disposition représentée sur la figure. Le résultat est une batterie d'éléments disposés sous la forme de trois cercles, semblable à une "coccinelle". L'apparence plus solide de Harvey est obtenue en utilisant 12 éléments en forme de croissant disposés en ligne comme indiqué sur la fig. 9. Le robot devient comme un insecte (mille-pattes ou ver) et glisse en se déplaçant. Bien sûr, vous pouvez faire une batterie de n'importe quelle autre configuration. Vous pouvez même créer des couvercles interchangeables pour le robot, lui permettant de s'exprimer de plusieurs façons. Il ne faut pas oublier que plus le courant de sortie de la cellule solaire est faible, plus les batteries seront chargées longtemps. Si vous utilisez des cellules suffisamment bonnes, veillez à ne pas surcharger les batteries. Voir chap. 10, qui traite des batteries au nickel-cadmium et de leurs caractéristiques.
Équipement robotique supplémentaire Il existe de nombreuses façons de modifier davantage le robot. Par exemple, un robot peut être spectaculaire lorsqu'il est équipé d'une paire d'"yeux" brillants et clignotants (à ne pas confondre avec les véritables "yeux" photosensibles). On peut "apprendre" à un robot à émettre des sons. Un certain nombre de microcircuits sont disponibles dans le commerce qui génèrent des sons dans une large gamme. Maintenant que Harvey (ou Harrietta) est prêt, il est temps de s'amuser. Et familiarité avec la robotique ! Auteur : Byers T.
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