Gąsienicowy robot ratowniczy "RESCUE"

Terroryzm stanowi ciągłe zagrożenie dla naszego bezpieczeństwa, dlatego konstrukcja autonomicznych robotów stanowi tak ważne wyzwanie dla dzisiejszej inżynierii. Z tego powodu zespół czterech inżynierów zaplanował budowę robota ratowniczego RESCUE z czterema gąsienicami, które dodatkowo mogą się obracać niezależnie o 360°. Rynkiem docelowym takiego produktu mogłoby być rozpoznanie w akcjach ratowniczych czy zwiad w niebezpiecznym otoczeniu.

Ze względu na warunki, w jakich ma pracować robot powinien mieć niewielkie rozmiary, być wodoszczelny i odporny na pył. Robot powinien mieć również możliwość kontroli bezprzewodowej i posiadać dwa kanały do komunikacji radiowej. Zakres wymaganej komunikacji radiowej w wolnej przestrzeni to 75 stóp (około 22 m) uwzględniając ścianę o grubości około 30 cm. Robot powinien również posiadać kamerę i mikrofon do komunikacji z poszkodowanym a także głośnik do komunikacji zwrotnej. Ponieważ robot ma być zasilany bateryjnie założeniem jest, aby poruszał się przynajmniej godzinę.

Najpierw zespół opracował model CAD robota, w tym skrzynię biegów oraz uchwyty dla silników. Większość elementów robota wykonana jest z aluminium ze względu na swoją wagę. Do poruszania się robota został wybrany system czterech niezależnie poruszających się ramion z gąsienicami. Dzięki temu robot może się zarówno wspinać po schodach, jeździć po płaskim terenie jak i po muldach. Każde ramię ma 1, 5 cala szerokości, 10 cali długości oraz 2, 375 cala wysokości, przy czym wysokość samego robota to 2 cale.

Każde z ramion jest napędzane przez osobny silnik. Zespół zdecydował się na zastosowanie silnika VEX 7,2V, 100RPM Każdy z silników, przy w pełni naładowanej, baterii osiąga prędkość 10 cali na sekundę. Osobny silnik odpowiada za obrót ramienia, osobny natomiast za ruch gąsienicy.

Aby uzyskać odpowiedni moment obrotowy zespół postanowił zastosować przełożenie 9:1, jednak ze względu na rozmiary robota, okazało się to niemożliwe, dlatego zespół zaprojektował przełożenie z dwoma stopniami 3:1.



Komunikacja

W prototypie zdecydowano się na komunikację za pomocą routera WIFI. Decyzję podjęto ze względu na koszty, pojemność kanału transmisyjnego oraz prostotę
implementacji.

Dla kontroli robota wybrano mikrokontroler stosowany w serii Arduino – ATMEGA2560. Stało się tak ze względu na dostępność wielu kodów i przykładowych rozważań (Arduino UNO posiada już połączenie z Ethernetem). Wybór mikrokontrolera miał także wpływ na dobór pozostałych urządzeń. W tym przypadku, ponieważ robot posiada router WIFI, obraz z kamery może być przesyłany bezpośrednio poprzez sam router do laptopa operatora bez absorbowania mikrokontrolera, co pozwala zastosować tańsze rozwiązanie.
W celu ułatwienia późniejszego określenia lokalizacji, robot został wyposażony w akcelerometr, czujniki położenia ramion oraz moduł GPS. Jeżeli robot zmieni orientację system automatycznie obróci również obraz przekazywany z kamery.

Czujnik położenia ramienia został zaprojektowany po wykonaniu konstrukcji obudów łączących łożyska łączące osie z napędem gąsienicy i przekładnią. Zespół wykorzystał cienką płytkę PCB i kilka elementów w kształcie litery C wykonanych z papieru rezystancyjnego do konstrukcji czterech czujników działających na zasadzie potencjometru. Kiedy ramię obraca się, szczotka przymocowana do osi, przesuwa się po papierze rezystancyjnym, stykając się jednocześnie z miedzianym pierścieniem wewnątrz. Stałe napięcie o wartości 5 V jest podawane pomiędzy obydwa końce papieru rezystancyjnego. W zależności od poleżenia ramienia wartość napięcia na wewnętrznym pierścieniu waha się pomiędzy wartościami 0 – 5 V. Wartość ta jest przetwarzana i mierzona poprzez mikrokontroler a następnie przesyłana do laptopa. Należy zwrócić uwagę, że istnieje pewna strefa martwa, która zwraca wartość bezsensową, kiedy szczotka nie styka się z pierścieniem rezystancyjnym.



Zaprojektowany system sterowania, ma na celu zapewnić interfejs wymieniający informacje (w tym przekaz video i głosowy) jak i rozkazy sterujące, pomiędzy operatorem a robotem.

System jest skoncentrowany wokół routera WIFI, który zapewnia komunikację z laptopem użytkownika. Kamera ethernetowa EasyN FS-613B-M166 dostarcza dodatkowo obraz i głos przekazywany również poprzez router WIFI.

Mikrokontroler jest połączony z routerem poprzez specjalną płytkę interfejsową Ethernet. Do mikrokontrolera natomiast podłączono akcelerometr, moduł odbiornika GPS, oraz mikrokontroler PICAXE. Mikrokontroler ten służy wyłącznie dostarczeniu dodatkowych pinów wyjściowych, gdyż wykorzystywany przez zespół mikrokontroler zgodny z Arduino, nie posiadał ich wystarczająco duży wyjść, aby sterować wszystkimi układami i silnikami. MCU komunikuje się z modułem Ethernet za pomocą magistrali SPI. Wymiana informacji modułem GPS oraz mikrokontrolerem PICXE odbywa się tutaj za pomocą komunikacji szeregowej dwoma parami przewodów. Akcelerometr natomiast jest podłączony do mikrokontrolerem poprze magistralę i2c. Czujnik położenia ramienia jest odczytywany poprzez wewnętrzny przetwornik ADC w mikrokontrolerze.

Ponieważ kamera i router wymagają zasilania napięciem 5 V, dlatego w projekcie zastosowano stabilizator obniżający napięcie uzyskiwane z baterii (7-11V) do stabilnego 5 V. Każde z tych dwóch urządzeń pobiera podczas pracy prąd rzędu 0,5 A. Mikrokontroler ATMEGA posiada swój własny wewnętrzny stabilizator, dzięki któremu zasila również mikrokontroler PICAXE. Oba układy pobierają razem w przybliżeniu również 0,5 A.



Aby ułatwić użytkownikowi końcowemu komunikację z robotem, zespół stworzył również program interfejsowy w języku Java. Program umożliwia podgląd obrazu przekazywanego przez kamerę, dźwięku, pozycji z odbiornika GPS, danych o ułożeniu robota z czujników jak również o położeniu każdego z ramion.
Komunikacja pomiędzy dwoma urządzeniami (komputer i mikrokontroler) jest obsługiwana poprzez połączenie TCP/IP. Adres IP mikrokontrolera jest statyczny a interfejs Javy łączy się bezpośrednio z mikrokontrolerem. Format wysyłanych informacji bazuje na protokole NMEA 0183.



Testy

Robot został skonstruowany do jazdy po schodach i innych przeszkodach. Aby przetestować funkcjonalność robota zbudowano trzy chody każdy o wysokości 7 cali i długości 9,5 cala. Robot był w stanie wejść i zejść ze schodów bez niczyjej pomocy.



Podczas testów okazało się, że jedna bateria to za mało. W szczególności można było zaobserwować, że w układzie pojawia się zbyt niskie napięcie, kiedy zaczynają pracować silniki. Ponieważ zespół posiadał akurat drugą baterię, która mogłaby być wykorzystana do tego celu zastosował ją w robocie. Pierwsza bateria została przeznaczona do zasilania silników (5 Ah przy 7,2 V) a druga do zasilania elektroniki (1,6 Ah przy napięciu 9,6 V). Ponieważ router kamerą i mikrokontrolery pobierają razem około 1,5 A daje to ponad godzinę pracy elektroniki.

Wykorzystane części elektroniczce:

Kamera: FS-613B-M166
Bateria: 10H4/3A3800R2WR
Router: High Power n150
Mikrokontroler: ATMEGA2560
Stabilizator napięcia: LM7805/LM317
Sterownik silnika: NCV7702B: 1.0

Na swojej stronie internetowej zespół publikuje raport końcowy jak również wszystkie pliki źródłowe i pliki CAD.



Źródło:
http://www.calvin.edu/academic/engineering/2011-12-team8/prototype.html