Текст книги "Создаем робота-андроида своими руками"

Фоторезисторы на основе сульфида кадмия (см. рис. 5.5) являются устройствами, реагирующими на видимый свет. Спектр поглощения такого резистора близок к спектру человеческого глаза (см. рис. 5.6). CdS – фоторезистор представляет собой полупроводник, но без обычного PN перехода. Наибольшее сопротивление такой фоторезистор имеет в полной темноте. По мере увеличения освещенности его сопротивление уменьшается. Измеряя сопротивление резистора, можно оценить среднюю освещенность в видимом спектре.

Рис. 5.5. Фотоэлементы на основе сульфида кадмия (CdS)

Рис. 5.6. Диаграмма, показывающая сравнительную спектральную чувствительность глаза и светочувствительных датчиков

Световой выключатель на основе фоторезистора

На рис. 5.7 приведена основная схема устройства. Поскольку CdS-преобразователь представляет собой резистор, он может быть включен напрямую в делитель напряжения. По мере нарастания освещенности сопротивление фоторезистора падает. Соответственно, повышается напряжение на резисторе R1 и на выводе 2 ИС. Когда напряжение превысит напряжение на выводе 3, включится двигатель M. Порог срабатывания регулируется подстроечным резистором R1 4,7 кОм. Такая схема является основной для управления «солнечным шаром», описанным в гл. 12.

Рис. 5.7. Выключатель света на фоторезисторе

Светочувствительный нейрон

На рис. 5.8 изображена схема светочувствительного нейрона. По мере нарастания освещенности возрастает частота выходных импульсов. Такая схема фотонейрона может генерировать тактовые импульсы для контроллера шагового двигателя типа ИС UCN5804. При увеличении интенсивности освещенности поворот шагового двигателя осуществляется быстрее.

Рис. 5.8. Нейрон на базе фоторезистора

Фотоэлектрические (солнечные) элементы, фотодиоды и фототранзисторы имеют похожую конструкцию. Все они обладают светочувствительным PN переходом. В солнечных батареях площадь PN перехода велика и используется для вырабатывания электрической энергии пропорционально степени освещенности.

Фотодиоды обычно используются в схемах в обратном включении. Световой поток уменьшает запирающий барьер PN перехода, и через диод начинает течь ток. Время срабатывания фотодиодов намного меньше, чем CdS фоторезисторов, поэтому они могут быть использованы для детектирования модулированных световых сигналов.

Фототранзисторы представляют собой светочувствительные транзисторы. Их преимущество в сравнении со светодиодами в том, что они способны усиливать поступающий световой сигнал.

Датчики ИК излучения работают в диапазоне низких частот излучения световых волн (900 нм и ниже). Они заслуживают специального рассмотрения, поскольку широко используются в роботах для ориентирования, обхода препятствий и связи.

Использование ИК датчиков не представляет никаких трудностей. У различных дистрибьюторов можно найти модули, содержащие детектор модуляции (см. рис. 5.9). Их преимущество в том, что они детектируют ИК сигнал, модулированный строго определенной несущей частотой (обычно около 40 кГц).

Рис. 5.9. ИК приемный модуль

Несущая частота 40 кГц может быть промодулирована в свою очередь другим низкочастотным сигналом. Приемный модуль также изготовлен таким образом, что он «принимает» сигналы только на частоте несущей 40 кГц. Такой способ позволяет создать очень надежный канал связи. Сперва приемный модуль обнаруживает несущую 40 кГц и только после этого «отпирает» устройство для приема сигнала модуляции передатчика ИК излучения, отфильтровывая, таким образом, сигналы других источников. После этого осуществляется детектирование модулированного сигнала с несущей 40 кГц.

ИК детектор препятствий

На рис. 5.10 изображен простой детектор препятствий. Как только устройство приближается к препятствию, поток отраженного ИК излучения возрастает. Соответственно, возрастает напряжение на приемнике ИК излучения, что в какой-то момент перебрасывает компаратор и выдает сигнал, информирующий о наличии препятствия по ходу движения.

Рис. 5.10. Изображение ИК детектора препятствий

Передатчик ИК излучения

На рис. 5.11 изображена схема ИК передатчика. Передатчик использует ИС таймер типа 555 в режиме генерации. Переменный резистор R1 регулирует частоту выходных импульсов. Выход таймера соединен с NPN транзистором типа 2N2222, в эмиттерную цепь которого включен ИК светодиод. Обратите внимание, что при работе схемы диод светиться не будет, т. к. ИК излучение невидимо для человеческого глаза. Поскольку мы конструируем простой детектор препятствий, модуляция несущей 40 кГц не требуется.

Рис. 5.11. Схема ИК передатчика

Приемник ИК излучения

На рис 5.12 изображена схема приемника ИК излучения. Приемный модуль представляет собой устройство Everlite IRM-8420, имеющее центральную частоту 37,9 кГц и ширину полосы пропускания 3 кГц (±1,5 кГц). Выход модуля представляет собой выход низкого уровня. Это означает, что при обнаружении сигнала выход «садится» на землю. Такой выход эквивалентен выходу на транзисторе NPN структуры с открытым коллектором (см. вставку на рис. 5.12). Ток выхода достаточен для зажигания светодиода. В тестовой схеме наличие сигнала вызовет зажигание светодиода.

Рис. 5.12. Схема ИК приемника

Настройка ИК передатчика

Расположите передатчик и приемник ИК излучения один возле другого в одном и том же направлении. Для того чтобы ИК светодиод передатчика излучал свет в строго определенном направлении, его необходимо заключить в светонепроницаемую трубку. Если не сделать этого, то настройка может оказаться невозможной. Помните о том, что некоторые пластмассы, непроницаемые для видимого света, могут оказаться прозрачными для лучей ИК диапазона.

Разместите квадратный кусочек белого картона (со стороной порядка 8 см) перед приемником и передатчиком. Регулируйте величину сопротивления R1 до зажигания светодиода. Затем удалите картонку – светодиод должен погаснуть. Если этого не происходит, возможно, боковое ИК излучение улавливается приемником.

После того как устройство заработало, необходимо более тщательно подобрать сопротивление R1 для обнаружения объектов на большем расстоянии. Передвигайте картонку по направлению к устройству до момента зажигания светодиода. Немного подрегулируйте R1 до полного зажигания светодиода. Обратите внимание: для правильной работы робота обнаружение препятствий на слишком большом расстоянии может оказаться нежелательным.

ИК передатчики используются многими авторами для создания систем связи и дистанционного управления (ДУ). Как правило, ИК передатчик модулируется определенными частотами, а ИК приемник использует ИС типа 567, снабженную системой ФАПЧ. Для обеспечения нормальной работы необходимы настройка и согласование каждой пары «приемник-передатчик». Ниже приведены примеры построения подобных систем.

Разработан ряд специализированных широко доступных интегральных схем для применения в сфере телекоммуникаций. Подобные недорогие ИС способны передавать и принимать до 16 различных сигналов без предварительной настройки. Путем соединения подобных ИС со стандартными ИК излучателями и приемниками возможно создание ИК систем связи и дистанционного управления.

Сигналы DTMF (dual-tone multifrequency [двухтоновый многочастотный сигнал]) были предложены более 25 лет назад. Это произошло как раз перед тем, как правительство США форсировало расформирование компании Bell Telephone для разделения ее по различным секторам рынка. DTMF обычно известен как способ тонального набора.

Стандартный сигнал DTMF состоит из двух тонов звуковых частот, выбранных из группы восьми различных звуковых сигналов. Эти сигналы восьми различных частот поделены на две группы: группа сигналов низкого тона и группа сигналов высокого тона (см. табл. 5.2). Сигнал DTMF представляет собой комбинацию сигналов звуковых тонов, выбранных из различных групп (см. рис. 5.13-5.15). Простейший подсчет показывает, что возможны 4 х 4 = 16 возможных комбинаций.

Рис. 5.13. Форма колебаний низкого тона

Рис. 5.14. Форма колебаний высокого тона

Рис. 5.15. Алгебраическая сумма колебаний высокого и низкого тонов (DTMF)

Сигналы низкого тона (от R1 до R4) относятся к группе рядов. Сигналы высокого тона (от С1 до С4) образуют группу колонок.

Таблица 5.2

Кодирование сигнала DTMF

Любая комбинация частот может быть получена при использовании матрицы выключателей 4 х 4 или соответствующей клавиатуры (рис. 5.16). Помните, что эта технология была заимствована из телефонной индустрии, поэтому она была рассчитана на эффективное применение в телефонных линиях достаточно посредственного качества.

Рис. 5.16. Матрица клавиатуры 4х4, показывающая отдельные частоты DTMF

Стандартные телефоны с тональным набором используют матрицу клавиатуры размером 3х4. Такая матрица позволяет кодировать сигналы частот всех возможных рядов, но только трех вертикальных колонок (см. рис. 5.17). Клавиатура размером 3х4 более доступна и будет использоваться во всех схемных решениях, описанных ниже.

Рис. 5.17. Распайка телефонной клавиатуры 3х4

Не все клавиатуры от телефонов работают подобным образом, поэтому некоторые из них окажутся непригодными для наших схем. Например, некоторые клавиатуры имеют отличающуюся распайку выводов и требуют соответствующих ИС. По этой причине, если вы используете клавиатуру, то должны убедиться в ее правильном функционировании.

Изготовление кодера DTMF достаточно просто (см. рис. 5.18). Для этого потребуются клавиатура, кварцевый резонатор и ИС типа 5089. Цоколевка ИС 5089 показана на рис. 5.19. При использовании стандартной клавиатуры от телефона размером 3х4 вы потеряете возможность генерации 4-х DTMF кодов, связанных с отсутствующими клавишами, что снижает максимально возможное количество комбинаций до 12.

Рис. 5.18. Кодер DTMF, использующий матрицу клавиатуры 4х4

Рис. 5.19. Цоколевка кодера DTMF ИС 5089

На рис. 5.20 изображена тестовая схема кодера, в которой использованы восемь кнопочных выключателей. Эти выключатели в данном случае заменяют клавиатуру, с их помощью вы сможете проверить работу кодера и работу схемы приемника (декодера). Помните, что необходимо использовать кнопочные выключатели, работающие на замыкание. Для нормальной работы необходимо соединение одного из выводов R1-R4 и C1-C4 c землей, что осуществляется соответствующими кнопками.

Рис. 5.20. Схема кодера, использующего восемь кнопочных переключателей

ИС способна генерировать одиночные тоны, что обычно предпринимается для целей тестирования. Например, чтобы сгенерировать тон частоты 1336 Гц, соответствующий выводу С2, необходимо замкнуть на землю вывод С2 и любые два вывода из группы рядов R1-R4. Такая операция и приведет к генерации чистого тона 1336 Гц. То же самое можно проделать для генерации тона из группы рядов. Для этого необходимо заземлить любые два вывода из группы колонок и необходимый для генерации заданной частоты вывод из группы рядов.

Декодирование сигналов DTMF

Декодирование сигналов DTMF является немного более сложным, чем кодирование. Наиболее простым решением может явиться использование единственной ИС, на этот раз типа G8870 (рис. 5.21).

Рис. 5.21. Цоколевка декодера DTMF ИС G8870

ИС декодера имеет 4-битный выход с фиксацией состояния, обозначенный Q1-Q4. Q4 является старшим битом. Ток выходов Q1-Q4 достаточен для зажигания маломощных светодиодов. На рис. 5.22 показана основная схема приемника. Комбинация зажженных светодиодов, подключенных к выходам Q1-Q4, образует двоичное число. В таблице 5.3 приведены соответствия между кодами DTMF и соответствующими им двоичными числами. Схема построена так, что включенному светодиоду соответствует двоичная единица.

Рис. 5.22. Схема приемника с 4-битным выходом

Микроконтроллеры

Выводы Q1-Q4, соответствующие 4-битному числу, с выхода ИС G8870 могут быть непосредственно подключены к входным линиям микроконтроллера типа PIC 16F84. Такой микроконтроллер легко «читает» двоичные коды. Мы вернемся к использованию PIC микроконтроллеров в гл. 7.

Система связи на ИК лучах, которую мы будем рассматривать в следующих разделах, в комбинации с PIC микроконтроллером, разбираемым в гл.7, позволяет создавать программно управляемую систему коммуникации между роботами, используемыми в играх типа «салки» и в задачах следования за лидером.

Таблица 5.3. Сигналы DTMF

Цифровая индикация

Если чтение двоичного кода представляется слишком утомительным, можно добавить десятичный цифровой индикатор. Выход ИС можно присоединить к двоично-десятичному дешифратору для 7-сегментных индикаторов типа 7448. ИС 7448 в свою очередь соединена с 7-сегментным индикатором типа MAN 74 (с общим катодом). Схема, включающая две ИС, позволяет осуществлять цифровую индикацию (см. рис. 5.23).

Рис. 5.23. Схема приемника с цифровой индикацией

Проверка

Для проверки соедините выход ИС 5089 (вывод 16) с входом ИС G8870 и сгенерируйте сигнал DTMF с помощью кнопочных выключателей или клавиатуры. Декодер должен отобразить этот сигнал с помощью светодиодов или цифрового индикатора.

Использование ИК излучателя

Как только вы убедились в работоспособности устройства, можно добавить в схему приемник и передатчик ИК излучения. Выход ИС 5089 соединяется с базой NPN транзистора, в эмиттер которого включается мощный ИК светодиод (см. рис. 5.24). Можно подключить диод непосредственно к выходу ИС 5089, но излучаемая мощность в этом случае будет мала. NPN транзистор производит добавочный ток для питания светодиода.

Рис. 5.24. Схема ИК передатчика DTMF

На рис. 5.25 показана входная часть схемы ИК приемника. ИК фототранзистор соединен с КПОП операционным усилителем. Такая комбинация элементов позволяет управлять ИС 8870 через ИК канал на расстоянии порядка метра.

Рис. 5.25. Схема входной части ИК приемника DTMF

Система дистанционного управления (ДУ)

Используя ИК соединение, вы можете нажать клавишу с определенным номером на клавиатуре и увидеть соответствующую цифру, отображенную на цифровом индикаторе. Проверьте качество ИК связи по направлению и максимальному расстоянию. Увеличения дальности связи можно добиться, помещая ИК светодиод и фототранзистор в отдельные рефлекторы. Хорошо подходит для этой цели рефлектор от старой лампы-вспышки.

Устройство ДУ можно получить, добавив в схему ИС 4028, которая представляет собой двоично-десятичный дешифратор. Это означает, что при подаче параллельного двоичного кода на вход ИС (этим кодом зажигались светодиоды на рис. 5.22) на одном из выходов появится сигнал, соответствующий десятичной цифре. ИС 4028 имеет 10 выходов, обозначенных цифрами от 0 до 9. В зависимости от 4-битного кода на входе 4028, она выдает сигнал высокого уровня на одном из выходов (см. рис. 5.26).

Рис. 5.26. Схема приемника DTMF с преобразованием шестнадцатеричного кода в десятичный

Удалять из схемы ИС 7448 и цифровой индикатор нет необходимости, поскольку ИС 8870 имеет достаточно мощный выход для подачи сигнала на обе ИС 7448 и 4028. При тестировании выхода ИС 4028 цифровой индикатор может оказаться очень удобным. Чтобы не загромождать чертеж, на рис 5.26 показана связь ИС 8870 только с ИС 4028.

Выходы ИС 4028 могут непосредственно использоваться для управления переключателями или другими частями схемы. Однако это не является удачным решением, поскольку при нажатии следующей клавиши (цифры) выход, соответствующий предыдущей цифре, отключится (сбросится на низкий уровень).

Для решения этой проблемы можно использовать D-триггер типа 4013 (рис. 5.27). Триггеры являются основными элементами компьютерной памяти. В этой схеме в качестве триггера используется двоичный счетчик. После первой логической «1» на выходе ИС 4028 выход триггера перебросится также в логическую «1». Когда на выходе 4028 появится логический «0», что соответствует включению другого канала, ИС 4013 будет удерживать логическую «1» на выходе (фиксация состояния).

Рис. 5.27. Схема триггера ИС 4013

Чтобы опять перебросить выход 4013 в «0», необходимо просто включить соответствующий канал еще раз. Второй импульс, пришедший на вход ИС 4013, переключит ее выход в низкий уровень («0»). Чередование высокого и низкого уровней на выходе ИС 4013 происходит при каждой подаче «1» на ее вход.

Машинное зрение

Моделирование человеческого зрения при помощи машины является сложной задачей. Совершенно недостаточно присоединить видеокамеру к компьютеру и рассчитывать, что такая установка будет «видеть». Нейронные системы и программы ИИ должны считать видеоизображение и подвергнуть его обработке. Сейчас машинное зрение используется в ограниченных и специализированных областях.

В главе 1 я говорил о компьютерной системе Papnet, которая использует специальное нейронное программное обеспечения для анализа изображений эмульсионных мазков, обеспечивая точность, недоступную человеку-оператору. Некоторые исследователи разрабатывают системы управления автотранспортом, на основе визуального контроля очертаний дорожного покрытия.

Прежде чем мы сможем попытаться моделировать человеческое зрение, нам потребуется создать систему стереоскопически размещаемых камер (в дополнение к системе распознавания образов, что само по себе является непростой задачей). Некоторые исследования подобного рода проводятся в Массачусетсом технологическом институте, там создан робот-гуманоид COG. С помощью двух стереоскопических камер можно получить два изображения, которые обрабатываются и затем сравниваются для получения трехмерной картины. Этот процесс аналогичен получению трехмерных изображений у человека. Для определения глубины пространства каждая камера должна быть смонтирована на подвижном карданном подвесе, что позволит камерам сводить оптические оси (конвергировать) и фокусироваться на объекте. Для определения расстояния до объекта используется значение величины конвергенции.

Проблемы машинного зрения представляют благодатную почву для развития. В настоящее время большинство подобных систем требует мощных компьютеров и решает задачи обработки изображений.

Ощущение тела

Ощущение тела включает чувство его положения относительно опорных точек и в пространстве. Простейшее «чувство тела» можно смоделировать в роботе при помощи многочисленных датчиков наклона (см. рис. 5.28). По меньшей мере, робот сможет «понять», имеет ли он наклон вперед или назад, находится на «животе» или на «спине», вверх ногами или на правом боку. На основе полученной информации о положении тела робот может совершить некоторые действия и изменить свое положение.

Рис. 5.28. Датчики наклона

Индикатор направления – магнитной поле

Информацию о направлении можно полунить с помощью электронного компаса, использующего магнитное поле Земли. Это позволит роботу двигаться в заданном направлении или получать информацию о направлении перемещения.

Наиболее простым устройством является цифровой компас модели 1490 (рис. 5.29). Компас представляет собой твердотельный датчик Холла. Устройство снабжено четырьмя выводами, соответствующими положению четырех основных сторон света: север, восток, юг и запад. При использовании небольшого логического устройства можно определить восемь направлений.

Рис. 5.29. Цифровой компас 1490

Компас демпфирован таким образом, что его характеристики близки характеристикам компаса с жидкостным наполнением. Для поворота на угол 90° компасу требуется порядка 2,5 с. Демпфирование предотвращает крутильные колебания устройства и эффект дрожания вблизи указываемого направления. Устройство чувствительно к углу наклона. При угле наклона более 12° погрешности измерения превышают допустимые.

На нижней части устройства расположены двенадцать выводов, объединенных в четыре группы по три вывода. Если смотреть на компас сверху, то его выводы в группе обозначены 1, 2 и 3. Вывод 1 соединен с источником питания (5 В), вывод 2 соединен с землей. Выводы 3 каждой группы являются информационными выходами. Данные выходы аналогичны схеме NPN транзистора, включенного с общим коллектором. В таком включении выход не производит напряжение, но может пропускать значительный ток (до 20 мА), который достаточен для зажигания светодиода.

Тестовая схема изображена на рис. 5.30. Датчик сохраняет работоспособность в диапазоне питающего напряжения от 5 до 18 В. В данном случае используется батарея напряжением 9 В и регулятор напряжения на 5 В, выполненный на ИС 7805.

Рис. 5.30. Тестовая схема цифрового компаса с 4 светодиодами

Возьмите за правило: с целью безопасного сопряжения схем с компьютерными устройствами, не устанавливайте рабочих напряжений выше 5 В. Например, если мы сопрягаем электронный компас с интерфейсом PIC микроконтроллера и будем использовать напряжение питания 9 В, то слишком большое напряжение на выходе компаса может пережечь входные цепи микроконтроллера.

Для указания направления в тестовой схеме использованы светодиоды. По мере поворота устройства, каждое из основных направлений (сторон света) индицируется одним светодиодом. Промежуточные направления вызывают зажигание двух светодиодов.