Материал: 10176245_831175obrazovat

ства, которые измеряют физические величины, такие как ускорение, расстояние, яркость, звук, температура и т. д. Функции этих систем похожи на чувства живых существ, у которых «датчиками» являются кожа (осязание), глаза (зрение), нос (обоняние), язык (вкус), и слух (звук). Можно оценить разницу между органами (датчиками) и чувствами (сенсорными системами).

Робототехника подвержена развитию датчиков. Без них роботы не смогут получить информацию из среды, и их возможности будут ограничены.

Именно поэтому исследования в области датчиков имеют жизненно важное значение в мире робототехники, изучая новые способы измерения физических величин окружающей среды с большей точностью.

Наиболее важными характеристиками датчиков являются: Рабочий диапазон: нижний и верхний предел работы. При жела-

нии большей точности рекомендуется использовать датчики с ограниченным рабочим диапазоном; но если необходимо сделать более общую систему, то лучше использовать датчики с более широким рабочим диапазоном.

Точность и разрешение: характеризует правильность получаемого значения. Чем более высокое разрешение, тем более высокая точность. Датчики сообщают об электрических импульсах, которые затем декодируются для интерпретации информации. В этом процессе происходит этап калибровки, который будет нести основную ответственность за степень точности измерения.

Частота дискретизации: характеризуется количеством измерений, которое может быть сделано за единицу времени. Например, в системах, требующих немедленного реагирования на внешние воздействия, важно иметь возможность принимать много измерений в секунду. Например, для робота, который движется со скоростью 5 см/с. и должен остановиться за 10 см до препятствия (стены), измерение расстояния каждые 3 секунды может помешать ему достичь своей цели, поскольку между каждым измерением он проходит 15 см, не зная, сколько сантиметров отделяет его от стены.

56

Вычислительные требования: ресурсы, необходимые для декодирования результатов измерения датчиков. Сам датчик не образует сенсорную систему, как описано выше. Данные, взятые из среды, должны быть обработаны для правильной интерпретации информации. Роботы, как правило, включают небольшие электронные схемы, которые совершают предварительную обработку сигнала. Таким образом, блок управления (мозг робота) получает упрощенную информацию, что упрощает ее обработку.

Мощность: характеризуется количеством работы выполняемой за единицу времени. В отличие от приводов, выполняющих работу над окружающей средой, датчики действуют внутри системы на основе величины чувствительности. Как правило, уровни тока и напряжения выходов датчиков малы, но важно учитывать их, чтобы избежать повреждения цепи.

Рабочее напряжение и ток: напряжение и ток, необходимые для работы датчиков. Одной из проблем в конструировании роботов является энергетическая часть. Мобильные роботы должны иметь возможность заряжать свой источник питания (батареи) и оптимально использовать этот ресурс. Большинство датчиков требуют минимального значения напряжения и тока для обеспечения своей работы (пассивные датчики). Энергоэффективность их не всегда может быть покрыта микроконтроллером, поэтому обычно используются альтернативные источники энергии или производные от первичной. Активные датчики не требуют питания, потому что они каким-то образом преобразуют энергию измеряемой переменной в электрический импульс.

Вес и объем: важные особенности для системной интеграции. Очень тяжелые или очень большие датчики могут нарушить равновесие робота или не найти подходящее место для размещения. Для экономии энергии, снижение веса всегда важно.

Прочность: отказоустойчивость к условиям окружающей среды. Надежность датчиков и сенсорных систем может быть достигнута с помощью аппаратного или программного обеспечения. В первом варианте - это очень специализированная электроника, способная устранять помехи и шумы в измерениях, чтобы получить более чистый сигнал. С другой стороны, с помощью программного обеспечения

57

создаются интеллектуальные системы, способные предсказывать и устранять шумы при интерпретации обработанного сигнала.

Чувствительность: изменение выходного сигнала, вызванное изменением входного сигнала. Более чувствительные датчики служат для более тонких измерений с короткими диапазонами работы.

Система обработки. Все сигналы, поступающие от датчиков, должны быть обработаны, чтобы быть полезными.

Сенсорная система просто сообщает о величине измерений, но ничего не делает с полученными данными. Приводы, с другой стороны, не имеют возможности самостоятельно контролировать себя или координировать свои действия - они ждут указания для запуска. Таким образом, обе системы нуждаются в «дирижере», который координирует все действия и взаимодействует с ними.

Эту работу выполняет микроконтроллер, который можно считать мозгом робота. Он отвечает за обработку информации, поступающей от датчиков, и выполнение программ, хранящихся в памяти. Кроме того, с помощью каналов связи он контролирует действия приводов для выполнения желаемых задач.

В сложных роботах может существовать несколько микропроцессоров, контролирующих различные части машины, но все они должны работать совместно для выполнения запланированных задач. Также могут существовать небольшие электрические схемы, которые функционируют как микроконтроллеры специального назначения (не программируемые), обычно используемые для обработки сигналов или для решения простых проблем.

Не путайте "микропроцессор" с "микроконтроллером" - это разные вещи.

Микропроцессор - это цифровое электронное устройство, отвечающее исключительно за обработку и выполнение инструкций; для работы требуется набор периферийных устройств (оперативная память, ПЗУ, каналы связи и т. д.). Микроконтроллер представляет собой структуру, состоящую из микропроцессора, памяти (для хранения инструкций и данных), входных и выходных каналов, и всех периферийных устройств, необходимых для самостоятельной работы.

58

Если вы собираетесь построить робота, механическую систему, которая выполняет задачу, которая была запрограммирована, вам нужно электронное устройство, которое выполняет указанные процедуры. Это устройство называется микроконтроллером (или микропроцессором) и играет роль мозга внутри робота. Для того, чтобы знать свой носитель и иметь возможность принимать и выполнять действия, микроконтроллер нуждается в информационных каналах в виде электрических сигналов, поступающих от датчиков (входы) и направленных на приводы (выходы). Набор этих путей связи называется интерфейсом ввода-вывода или интерфейсом ES30. Эти средства сбора данных также должны быть приняты во внимание при проектировании и конструировании.

Программирование микроконтроллера обычно выполняется с компьютера через интерфейс, предоставляемый производителем контроллера. Тем не менее, некоторые из них уже имеют встроенный программный интерфейс, который позволяет пользователю быстрее и без использования компьютера совершать простые манипуляции с программированием. Кроме того, они обычно включают в себя предварительно запрограммированные процедуры для декодирования и преобразования сигналов, поступающих от датчиков или направленных на приводы.

2.3 Платформы образовательной робототехники

В связи с развитием технологий, сегодня существует широкий спектр электронных и программных систем, которые позволяют конструировать и программировать роботов без необходимости иметь передовую научную лабораторию. Многие из них имеют большой дидактический потенциал, потому что они имеют совместимую среду программирования, хорошую производительность, достаточные ресурсы, и доступные затраты. С другой стороны, есть и другие, пре-

59

доставляющие большие возможности для образовательных целей, но они имеют более высокую цену.

Развитие сферы образовательной робототехники во многих странах определило широкую представленность на данном рынке различных мировых производителей робототехнических наборов и их комплектующих. К числу наиболее известных и распространенных их них относятся Lego, HUNA, Fischertechnik, VEX, Tetrix, ТРИК, «Ам-

перка» и др. Существуют и другие менее известные, появляются новые25.

Обучение робототехнике проводится с использованием специальных конструкторов, которые содержат детали для сборки и программное обеспечение. Российской ассоциацией образовательной робототехники (РОАР) предлагается «Диаграмма применения робототехнических конструкторов в зависимости от возраста» (рис. 11)26. В том числе на основе нее формируются конкретные модели реализации образовательной робототехники.

В робототехнике, особенно в области образования, для проведения экспериментальных проверок необходимо наличие мобильных роботов, поскольку моделирование имеет очевидные ограничения, которые не позволяют напрямую экстраполировать их результаты в реальный мир и не включают все переменные, которые включает в себя физический эксперимент. Именно поэтому, на наш взгляд, наибольшее распространение в нашей стране получили робототехнические конструкторы фирмы Lego®.

25Калугин Д.Ю., Лейбов А.М., Осокина О.М. Ресурсное обеспечение робототехники // Образовательная робототехника: состояние, проблемы, перспективы: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции (г. Новосибирск, 25-27 ноября 2015 г.). Новосибирск: Изд-во НГПУ, 2016.

26Российская ассоциация Образовательной робототехники. сайт: http://www.raor.ru

60