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无线电电子与电气工程百科全书 由太阳能电池供电的机器人。 无线电电子电气工程百科全书
童年在我们每个人的心里留下了痕迹，无论年龄大小； 它通常与对玩具的热爱联系在一起。 显然，在太空探索普遍兴趣的影响下，我们对机器人等玩具的喜爱后来占据了我们，但鼓励我们沉迷于机器人的理由越多越好。 本章提供了一个认识一位名叫哈维的迷人机器人小朋友的机会。 玩它很有趣，但自己制作也同样有趣。 虽然大多数机器人都具有很强的能力，但哈维在这方面并不那么突出。 他是一个直率的人，只有一个目标：遵循白线。 事实上，他会不知疲倦地沿着预定的路径绕地球一周并返回。 此外，它还以太阳为食。 机器人控制 任何机器人都必须具有移动性，即从一个地方移动到另一个地方，以及在移动过程中的导航能力。 这两个不同但相关的要求由两个单独的设备满足。 第一个控制机器人的机械运动。 为此使用伺服机构。 舵机是机器人的机械部分，类似于人类的肌肉。 哈维需要两个伺服系统：一个用于向前移动（如汽车发动机），另一个用于控制运动。 这两个系统的联合运行并不总是容易保证。 该问题通过两种方式解决。 在第一个中，两个功能合并为一个。 让我们转向图 1 进行解释。 XNUMX.
主动运动控制系统 要移动小车（哈维机器人），最简单的方法是将驱动轮放在轴上并使其旋转。 专为这种很久以前发明的设备设计，它们包括链条、三角带和齿轮传动、直接驱动（来自电机）。 当两个轮子以相同的速度旋转时，机器人将沿直线向前移动（当然，如果两个轮子的直径相同）。 机器人的运动速度与轮子的旋转速度成正比。 考虑车轮旋转速度不同的情况。 这可以通过将车轴分成两半并为每个车轮提供单独的驱动器来实现。 和以前一样，如果两个轮子以相同的速度旋转，机器人就会沿直线移动。 如果其中一个轮子（例如左轮）的旋转速度减小，手推车就会向左转。 为什么？ 整个原因在于，一个以较低速度旋转的轮子实际上形成了一个支点（即使它在移动），另一个以较高旋转速度旋转的轮子围绕该支点移动。 实际上，如果左轮完全停止，那么小车将在适当的位置画一个小圆圈，其半径等于车轮之间的距离。 同样，右轮相对于左轮的缓慢旋转会导致机器人向右转向。 事实上，两种机制的功能在这里合二为一。 车轮旋转速度的单独变化不仅提供了小车的运动，还提供了运动方向的控制。 在许多机器人中，最常使用短期停止一个或另一个轮子的旋转，从而实现必要的运动控制。 这种运动原理会伴随着轻微的晃动，但是，如果轮子不转动的时间足够短，震动就会被消除，运动变得相对平稳。 被动运动控制 第二种方法将运动和控制功能分开。 有一个固定轴确保直线运动，并使用前旋转方向盘（或一对车轮）来改变方向。 驾驶就是基于这个原理。
当旋转轮与驱动轮平行时，机器人精确向前移动（图2）。 向左转动轮子，机器人就会向左转，向右转动，机器人就会向右转，就像汽车一样。 该方法的优点是具有平滑控制。 机器人可以逐渐转动或同时转动，但后轮绝不能停止。 出于稍后将清楚的原因，选择这种方法来控制哈维的机器人。 在这种情况下，方向盘由小型电动机驱动。 电子控制 我们已经进入了创建机器人的下一阶段——跟踪控制系统。 如果没有一定的智力，哈维只会随机地从一边“徘徊”到另一边。 大多数情况下，电机控制是电子设备的问题。 要“看到”哈维的白线，需要“眼睛”。 哈维的眼睛是一对光电晶体管 Q1 和 Q2，如图 3 所示。 XNUMX、光电三极管是一种普通的三极管，去掉了顶部的外壳，基极被光照射。 通常使用透镜将光聚焦在 p-n 结上，透镜也用作晶体管外壳的盖子。
当光照射到基极区域时，集电极电流流过晶体管，与光的强度成正比。换句话说，通常进入基极引脚的信号现在由入射光产生。 在大多数情况下，包括我们的情况，光电晶体管只有两个输出，并且没有基极输出。 根据电流电压转换器电路，光电晶体管连接到运算放大器（op-amps）。 从电子学基础知识中您知道，运算放大器是电流放大器。 放大器的输出电压取决于流经反相输入端的电流。在传统电路中，输出信号被反馈到反相输入端，信号在反相输入端被求和。 当反馈电流和输入电流相等时，放大器处于平衡状态。 如果反馈电路中包含一个电阻器（图 2 中的 R3），则该电阻器两端的电压降将与流过该电阻器的电流成正比。 此外，该电压与输入信号成正比，并且取自运算放大器输出端的引脚 此外，运算放大器还有另一个我们利用的有趣功能。 这是指差分输入的存在。 它们的特点是，施加到同相差分输入的信号实际上会从反相差分输入的信号中减去。 正在发生一种平衡行为。 当引脚 2 和 3 上的输入电流相等时，它们会相互抵消，并且不需要反馈电流来平衡电路。 因此，即使存在信号，电阻器 R2 两端的电压降也为零。 输入电流由光电晶体管Q1和Q2的集电极电流决定。 在晶体管与光的辐照度相等的情况下，流过的电流相等。 由于不可能找到一对特性完全匹配的晶体管，因此电路中使用了可变电阻VR1来消除哈维两只“眼睛”之间的微小差异。 光电晶体管放置在一个小面板上，如图 4 所示。 1，并由一个隔板隔开，隔板上有一个强大的红外 LED SDXNUMX。由于光电晶体管与该光源隔离，因此其辐射不会直接落在它们上。 如果将设备靠近反射表面，一切都会发生变化。 光从表面反射并被光电晶体管检测到。 到达光电晶体管的光量取决于反射表面的光学特性。 哈维的愿景也遵循类似的原则。 镜面光表面比暗表面反射更多的光。白色表面的反射率最高，所有其他颜色的反射率根据其吸收系数而降低。 黑色表面反射的光量最少。
您可以使用深色背景上的白线来分析哈维的动作原理。 首先，让我们将机器人放置在白线正上方，以便光电传感器对红外辐射做出相同的响应。 此时IC1的输出端将无电压。 如果将机器人向左或向右移动，相应的光电晶体管将移出白线，因此接收到的光会比另一个光电晶体管少。 运算放大器的输出端将出现一种极性或另一种极性的电压。 现在我们有了一个与机器人沿着这条“高速公路”移动时相对于白线的位置相对应的信号。 运算放大器的输出电压被馈送到两个比较器IC2和IC3，这两个比较器连接在双阈值电路中。通过这种连接，如果输入电压位于电阻器R4上的分压器设定的特定限制内，则两个输出均为低电位， R5和R6。 如果运算放大器的输出电压低于设定范围的下限，IC3上的比较器被触发，其输出被设置为高电位。 基极电流打开晶体管 Q4，并将转向电机连接到电源的负极端子 (-3 V)。 电机又通过改变方向盘的旋转角度，消除光电晶体管受光面相对于白线的位移。 当运算放大器输出端的电压超过上限时，也会发生同样的情况。 IC2 上的比较器触发并打开晶体管 Q3。 现在转向电机连接到电源正极（+3V）并沿相反方向旋转，再次补偿偏航。 如果运算放大器输出电压为零，则晶体管 Q3 和 Q4 均关闭。 制作机器人哈维 现在我们已经完成了对机器人基本系统的介绍，我们已经到了期待已久的步骤来构建您自己的 Harvey 机器人。 建造一个机器人将比本书中的大多数工艺品花费更多的精力，特别是如果你手头使用多种材料的话。 我必须承认我大大简化了事情。 新年第一天，我去了最近的无线电零件店，买了（比自己制作更好）一辆玩具遥控车，所有机械部件都已经准备好了。 我选择了一辆坏车，假期结束后返回商店，准备扔掉。 该玩具没有发射器装置，但所有电机和运动控制机构均可用且工作正常。 首先，购买节省了大量的时间和金钱。 现在我的良心是清白的，并且我承认了我是如何设法加速机器人的创造工作的，让我们继续吧。 首先，把所有东西从车里拿出来。 仅需留下带轮子的底盘、驱动轮电机和带有自己电机的转向装置。 汽车通常有一个电池盒。 如果汽车是遥控的，请保留接收器和发射器以供将来的自制设备使用。 首先，在汽车底盘的底部和前面安装带有光电晶体管和LED的面板。 我从一块厚的深色塑料上切出了一块面板，其形状如图 4 所示。 XNUMX. 如果需要，可以将光电晶体管和LED直接安装在汽车底盘上，同时底盘最低点与途中可能遇到的障碍物之间必须有足够的间隙。 另外，请记住，光电探测器向前移动得越多，它对路况的微小变化（偏离白线）就越敏感。 如果您想在机器人的速度和运动的平稳性之间进行折衷，请将光电晶体管安装在靠近驱动轮的位置。
不要忘记将光电晶体管与 LED 屏蔽开。 您可以使用一小块不透明塑料或纸作为阻尼器。 下一步是组装控制电路。 与本书中描述的大多数设备一样，它是使用印刷电路板组装的，其原理图如图 5 所示。 6、零件的放置——如图。 XNUMX. 检查所有电源的连接。 不要花时间这样做，否则机器人会工作不稳定。 驱动轮和转向电机由 RC 链（分别为 R9、C8 和 R10、C9）保护。 将无线电组件安装到板上后，将其插入无线电控制接收器板的位置。 对于最终组装，请将光电晶体管引线尽可能远离电机的连接引线。 IC1具有非常高的增益，可以轻松放大干扰信号。 如果需要处理噪声，请使用屏蔽线连接光电晶体管。 电池盒中有足够的空间容纳为 Harvey 供电的电池，但必须根据图表从两块电池的连接点上轻敲一下来更改其包含内容。 使用玩具车电路中提供的开关。 该机器人需要一组总电压为9V的电池。因此，电池仓中的空闲空间可以用来放置其他电路元件，其中一些元件将在下面讨论。 哈维健康检查 确保安装正确后，即可进行机器人性能的第一次测试。 关闭电源开关后，将四节镍镉充电电池放入电池盒中。 打开拨动开关后，机器人应向前移动并转弯。 仔细检查机器人运动的性质。 可以通过先用手电筒照射一个光电晶体管，然后照射另一个光电晶体管来测试转向。 如果任何电机的旋转方向不正确，请反转其输出连接的极性。 现在检查哈维机器人在由白色条纹描述的圆圈上的工作，最好在黑色背景上绘制。 圆的半径不得小于方向盘的转动半径。 将Harvey放置在轨道带上后，打开电源并跟随机器人的运动。 电源 在哈维机器人的设计中，本质上使用了两个光电系统，它们的工作原理有所不同。 我们已经处理过其中之一（机器人的“视觉”）； 它的操作由控制转向电机电流的光敏元件（光电晶体管）提供。
机器人的另一个光电系统是太阳能电池，可以为电池充电。 很难相信，哈维“吃掉”的电量非常少。 事实上，一组充满电的充电电池可持续自主运行约1小时，之后机器人必须被照亮才能恢复运行。 如果哈维在阳光下，他会在移动时充电。
只需要12块太阳能电池就可以满足他的需求。 虽然可以使用任何产生 80mA 或更多电流的电池，但我发现两种尺寸是最合适的。 第一标准尺寸的元件电池组，如图所示。 8由三个圆形元件分成四部分组成； 这些部件按照图中所示的布置串联连接。 结果是一组元素排列成三个圆圈，类似于“瓢虫”。 Harvey 更坚固的外观是通过使用 12 个排成一线的新月形元件获得的，如图 9 所示。 XNUMX. 机器人变得像昆虫（蜈蚣或蠕虫）并在移动时滑行。 当然，您可以制作任何其他配置的电池。 您甚至可以为机器人制作可互换的盖子，让它以更多方式表达自己。 必须记住：太阳能电池的输出电流越低，电池的充电时间就越长。 如果您使用足够好的电池，请小心不要过度充电。 参见章节。 10，其中讨论了镍镉电池及其特性。
附加机器人设备 有很多方法可以进一步修改机器人。 例如，当机器人配备了一双闪烁的发光“眼睛”（不要与真正的感光“眼睛”混淆）时，它看起来会很壮观。 机器人可以被“教导”发出声音。 市面上有许多可产生各种声音的微电路。 现在哈维（或哈里埃塔）已经准备好了，是时候享受乐趣了。 并且熟悉机器人技术！ 作者：拜尔斯 T.
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