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無線電子工学および電気工学の百科事典 太陽電池ロボット。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
年齢に関係なく、子供時代は私たち一人一人に痕跡を残します。 ほとんどの場合、それはおもちゃへの愛と関連しています。 どうやら、宇宙探査への一般的な関心の影響で、ロボットなどのおもちゃへの愛情が私たちに定着したようですが、ロボットに夢中になる理由は多ければ多いほど良いのです。 この章では、ハーベイという名前の魅力的な小さなロボットの友人に出会う機会を提供します。 遊ぶのも楽しいですが、自分で作るのも同じくらい楽しいです。 ほとんどのロボットは高度な能力を備えていますが、ハーベイはこの点でそれほど注目に値しません。 彼は真っ直ぐな人で、目標はただ一つ、それは白線を守ることです。 実際、彼はたゆまぬ努力で意図された道をたどって地球を一周し、戻ってきます。 さらに、それは太陽によって「電力」供給されます。 ロボット制御 どのロボットも、移動中のナビゲーション能力だけでなく、移動性、つまり場所から場所へ移動する機能も備えていなければなりません。 これら XNUMX つの異なる、しかし関連する要件は、XNUMX つの別個のデバイスによって満たされます。 XNUMX つ目はロボットの機械的な動きを制御します。 このために、サーボ機構が使用されます。 サーボは、人間の筋肉に似たロボットの機械部品です。 Harvey には XNUMX つのサーボ システムが必要です。XNUMX つは前進するため (車のエンジンのように)、もう XNUMX つは動きを制御するためです。 これら 1 つのシステムが連携して動作することを確認するのは必ずしも簡単ではありません。 この問題は XNUMX つの方法で解決されます。 最初のバージョンでは、両方の機能が XNUMX つに結合されています。 図に戻って説明します。 XNUMX.
アクティブモーションコントロールシステム カート (Harvey ロボット) を動かす最も簡単な方法は、駆動輪を車軸に取り付けて回転させることです。 この目的を目的とした装置はずっと前に発明されており、チェーン、V ベルト、ギア駆動、および (モーターからの) 直接駆動が含まれます。 両方の車輪が同じ速度で回転すると、ロボットは直進します (もちろん、両方の車輪の直径が同じであれば)。 ロボットの移動速度は車輪の回転速度に比例します。 車輪の回転速度が異なる場合を考えてみましょう。 これは、車軸を半分に分割し、各車輪に個別の駆動を提供することで実現できます。 前と同様、両方の車輪が同じ速度で回転すると、ロボットは直線的に移動します。 XNUMX つの車輪、たとえば左側の車輪の回転速度が低下すると、トロリーは左に回転します。 なぜ？ その理由はすべて、低速で回転する車輪が実際には (たとえ動いているとしても) 支点を形成し、その周りをより高い回転速度で回転する別の車輪が移動するという事実にあります。 実際には、左車輪が完全に停止している場合、カートは車輪間の距離に等しい半径を持つ小さな円を定位置に描きます。 同様に、左車輪に対して右車輪をゆっくりと回転させると、ロボットは右に曲がります。 実際、ここでは XNUMX つのメカニズムの機能が XNUMX つに結合されています。 車輪速度を個別に変更することで、トロリーの移動だけでなく、移動方向の制御も保証されます。 多くのロボットでは、ほとんどの場合、一方または他方の車輪の回転を短期間停止して、必要な動作制御を実現します。 この動作原理は若干の揺れを伴いますが、車輪が回転しない時間が短いとガタつきがなくなり、比較的スムーズな動作となります。 パッシブモーションコントロール XNUMX 番目の方法では、移動と制御の機能が分離されます。 直線運動を提供するために XNUMX つの固定車軸があり、方向を変えるためにフロント ステアリング ホイール (または一対の車輪) が使用されます。 運転はこの原理に基づいています。
ステアリングホイールが駆動輪と平行になると、ロボットは直進します（図2）。 車と同じように、ハンドルを左に回すとロボットは左に曲がり、右に回すとロボットは右に曲がります。 この方法の利点は、スムーズな制御の存在です。 ロボットは後輪を止めることなく、徐々にまたは一度に回転することができます。 理由は後ほど明らかになりますが、Harvey ロボットを制御するためにこの方法が選択されました。 この場合、ステアリングホイールは小型電動モーターによって駆動されます。 電子制御 ロボット作成の次の段階である追跡制御システムに到達しました。 ある程度の知性がなければ、ハーベイは単にランダムに左右に「探し回る」だけです。 ほとんどの場合、モーター制御は電子機器の問題です。 ハーヴィーの白線を「見る」には「目」が必要です。 ハーベイの目は、図に示す一対のフォトトランジスタ Q1 と Q2 です。 3. フォトトランジスタは、通常のトランジスタのボディの上部を取り除き、ベースに光を照射したものです。 通常、光は、トランジスタ本体のカバーとしても機能するレンズを使用して、pn 接合に集束されます。
ベース領域に光が当たると、光の強度に比例したコレクタ電流がトランジスタを流れ、通常ベース端子に印加される信号が入射光によって生成されます。 当社のものも含め、ほとんどの場合、フォトトランジスタには端子が XNUMX つしかなく、ベース端子はありません。 フォトトランジスタは、電流電圧変換回路を使用してオペアンプ（オペアンプ）に接続されます。 基本的な電子機器の知識からわかるように、オペアンプは電流増幅器です。 アンプの出力電圧は反転入力に流れる電流によって決まりますが、従来のスイッチング回路では、出力信号が反転入力にフィードバックされ、加算されます。 フィードバック電流と入力電流が等しい場合、アンプは平衡状態にあります。 フィードバック回路に抵抗器 (図 2 の R3) が含まれている場合、この抵抗器の両端の電圧降下は、抵抗器を流れる電流に比例します。 さらに、この電圧は入力信号に比例し、オペアンプの出力のピンから除去されます。 さらに、オペアンプには別の興味深い機能があり、それを利用しました。 これは差動入力が存在することを意味します。 それらの特徴は、非反転差動入力に加えられた信号が実際に反転差動入力の信号から減算されることです。 何かバランスをとる行為が起こっています。 ピン 2 と 3 の入力電流が等しい場合、それらは互いに打ち消し合うため、回路のバランスをとるためのフィードバック電流は必要ありません。 したがって、信号が存在する場合でも、抵抗 R2 の両端の電圧降下はゼロになります。 入力電流の大きさはフォトトランジスタ Q1 と Q2 のコレクタ電流によって決まります。 トランジスタに同じ光が照射されると、同じ電流が流れます。 特性が完全に一致するトランジスタのペアを選択することは不可能であるため、回路では可変抵抗 VR1 を使用して、Harvey の両「目」のわずかな差を解消します。 フォトトランジスタは、図に示すような小さなパネル上に配置されます。 フォトトランジスタはこの光源から隔てられているため、フォトトランジスタの放射線が直接当たることはありません。 デバイスを反射面に近づけると、すべてが変わります。 光は表面から反射され、フォトトランジスタによって検出されます。 フォトトランジスタに到達する光の量は、反射面の光学特性によって異なります。 同様の原則がハーベイのビジョンの根底にあります。 鏡のような明るい表面からは、暗い表面よりも多くの光が反射されます。白い表面が最も反射率が高く、他のすべての色の反射率は吸収係数に応じて減少します。 黒い表面は、反射する光の量が最も少なくなります。
Harvey の動作原理は、暗い背景に白い線を使用して分析できます。 まず、光センサーが赤外線に同等に反応するように、ロボットを白線の真上に配置しましょう。 その場合、IC1 の出力には電圧がなくなります。 ロボットを左右に動かすと、対応するフォトトランジスタが白線から外れて、他のフォトトランジスタよりも受光する光が少なくなります。 オペアンプの出力には、何らかの極性の電圧が現れます。 これで、ロボットがこの「高速道路」に沿って移動するときの白線に対するロボットの位置に対応する信号が得られます。 オペアンプの出力電圧は、2 つのしきい値回路に接続された 3 つのコンパレータ IC4 と IC5 に供給されます。この接続では、入力電圧が抵抗 R6 の分圧器によって設定された一定の制限内にある場合、両方の出力が低電位になります。 、RXNUMX、RXNUMX。 オペアンプの出力電圧が設定範囲の下限値を下回ると、IC3 チップ上のコンパレータが動作し、その出力が高電位に設定されます。 ベース電流によりトランジスタ Q4 が開き、ステアリング モーターが電源のマイナス端子 (-3 V) に接続されます。 モーターがステアリングホイールの回転角度を変えることで、白線に対するフォトトランジスタの受光面のズレを解消します。 オペアンプの出力電圧が上限を超えた場合も同様のことが起こります。 IC2 チップ上のコンパレータがトリガーされ、トランジスタ Q3 がオンになります。 ステアリング モーターは電源のプラス端子 (+3V) に接続され、逆方向に回転して、再びヨーを補正します。 オペアンプの出力電圧がゼロの場合、トランジスタ Q3 と Q4 は両方ともオフになります。 ロボットハーベイを作る ロボットの基本システムの紹介が完了したので、待望の独自の Harvey ロボットを構築する段階に入りました。 ロボットの構築は、特に手元にあるさまざまな材料を使用する場合、この本に掲載されているほとんどの工作よりも少し手間がかかります。 私は問題を大幅に単純化したことを告白しなければなりません。 私は元旦に最寄りのラジオ部品店に行き、すべての機械部品がすでに準備されているおもちゃのラジコンカーを購入しました（自分で作るよりも良いです）。 私が選んだのは、連休明けに店に戻ってきて廃棄される寸前だった故障車。 このおもちゃには送信機ユニットが欠けていましたが、モーターと動作制御機構はすべて無傷で、正常に動作していました。 まず第一に、購入により時間とお金が大幅に節約されました。 良心がはっきりし、ロボットの作成作業をどのようにしてスピードアップできたかを告白したので、話を続けましょう。 まず、車から不要なものをすべて取り外します。 車輪付きのシャーシ、駆動輪のモーター、および独自のモーターを備えたステアリング装置のみを残す必要があります。 通常、車にはバッテリー室があります。 車が遠隔操作されている場合は、将来の DIY デバイスのために受信機と送信機を保存してください。 まず、フォトトランジスタとLEDを備えたパネルを車のシャーシの底部と前面に取り付けます。 厚い濃い色のプラスチックからパネルを切り出しました。その形状は図に示されています。 4. 必要に応じて、シャーシの最下点と途中で遭遇する可能性のある障害物との間に十分なクリアランスを確保しながら、フォトトランジスタと LED を車のシャーシに直接取り付けることができます。 また、光検出器を前方に動かすほど、道路状況の小さな変化（白線からのオフセット）に対する感度が高くなることに注意してください。 ロボットの応答速度と動きの滑らかさの間で妥協したい場合は、フォトトランジスタを駆動輪の近くに取り付けます。
フォトトランジスタをLEDから切り離すことを忘れないでください。 不透明なプラスチックまたは紙の小片をシャッターとして使用できます。 次のステップは、制御回路を組み立てることです。 この本で説明されているほとんどのデバイスと同様に、このデバイスはプリント基板を使用して組み立てられます。その図を図に示します。 部品の配置は図5の通りです。 6. すべての電源がしっかりと接続されていることを確認してください。 これを行うには時間をかけてください。そうしないとロボットの動作が不安定になります。 駆動輪とステアリングモーターは RC チェーン (それぞれ R9、C8、R10、C9) によって保護されています。 基板にプロポ部品を実装したら、ラジコン受信基板の代わりに挿入します。 最終組み立てでは、フォトトランジスタのリード線をモーターへの接続リード線からできるだけ離して固定します。 IC1 はゲインが非常に高いため、干渉信号を容易に増幅できます。 ノイズ対策を必要とする場合は、フォトトランジスタ間の接続にシールド線を使用してください。 バッテリーコンパートメントには、Harvey に電力を供給するバッテリーを収容するのに十分なスペースがありますが、その接続は上の図に従って変更し、XNUMX つのバッテリーが接続されている点からタップを作成する必要があります。 おもちゃの車の電気回路にあるスイッチを使用します。 ロボットには合計電圧 9 V のバッテリー セットが必要です。したがって、バッテリー コンパートメントの空きスペースを他の回路コンポーネントの配置に使用できます。その一部については以下で説明します。 ハービーの健康チェック インストールが正しいことを確認したら、ロボットのパフォーマンスの最初のテストに進むことができます。 電源スイッチをオフにして、ニッケルカドミウム充電式電池 XNUMX 個を電池収納部に入れます。 トグルスイッチをオンにすると、ロボットは前進して方向転換します。 ロボットの動作パターンをよく確認してください。 まず懐中電灯で一方のフォトトランジスタを照らし、次にもう一方のフォトトランジスタを照らすことで、ステアリングをテストできます。 モーターの回転方向が間違っている場合は、端子の極性を逆にしてください。 ここで、黒い背景に最もよく描かれた白いストライプで描かれた円上でハーベイのロボットの動作を確認してください。 円の半径はステアリングホイールの回転半径以上でなければなりません。 Harvey をトラックストリップに配置した後、電源を入れてロボットの動きに従います。 電源 Harvey ロボットの設計では、動作原理が異なる XNUMX つの光電子システムを基本的に使用します。 そのうちの XNUMX つ (ロボットの「ビジョン」) についてはすでに説明しました。 その動作は、ステアリング モーターの電流を制御する感光素子 (フォトトランジスタ) によって保証されます。
ロボットのもう 1 つの光電子システムは、バッテリーを充電し続ける太陽電池です。 信じられないかもしれませんが、ハーベイは非常に少量の電力で「電力を供給」しています。 実際、完全に充電されたバッテリー セットは約 XNUMX 時間自律的に動作するのに十分ですが、その後、動作を再開するにはロボットを照明する必要があります。 ハーベイが太陽の下にいると、運転中に充電されます。
そのニーズを満たすために必要な太陽電池は 12 個だけです。 80mA 以上の電流を生成する任意の素子を使用できますが、最適に動作する XNUMX つのサイズを見つけました。 最初の標準サイズの一連の要素を図に示します。 8 は XNUMX つの部分に分割された XNUMX つの丸い要素で構成されています。 これらの部品は図に示す配置で直列に接続されています。 その結果、「てんとう虫」に似た、XNUMX つの円の形に配置された一連の要素が作成されます。 Harvey は、図に示すように、一列に配置された 12 個の三日月型の要素を使用することで、より重厚な外観を実現しています。 9. ロボットは昆虫 (ムカデやミミズ) のようになり、移動すると滑空するように見えます。 もちろん、他の構成のバッテリーを作成することもできます。 ロボットのキャップを交換可能にして、より多くの表現方法を与えることもできます。 覚えておくことが重要です。太陽電池の出力電流が低いほど、バッテリーの充電にかかる時間が長くなります。 十分に良好なセルを使用している場合は、バッテリーが過充電になっていないことを確認してください。 アドバイスについては、第 10 章を参照してください。 ニッケルカドミウム電池とその特性については、図 XNUMX を参照してください。
追加のロボット機器 ロボットをさらに変更するにはさまざまな方法があります。 たとえば、ロボットに一対の点滅して光る「目」（実際の感光性の「目」と混同しないでください）が装備されている場合、そのロボットは非常に印象的な外観になります。 ロボットは音を出すように「教える」ことができます。 広範囲にわたるサウンドを生成するマイクロ回路が多数販売されています。 Harvey (または Harrietta) の準備ができたら、お楽しみの時間です。 そしてロボット工学にも精通しています！ 著者：バイヤーズT。
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