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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 태양 전지로 구동되는 로봇. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
어린 시절은 나이에 관계없이 우리 각자에게 흔적을 남깁니다. 그것은 대부분 장난감에 대한 사랑과 관련이 있습니다. 로봇과 같은 장난감에 대한 사랑은 우주 탐사에 대한 일반적인 관심의 영향으로 나중에 우리를 사로 잡았지만 로봇에 중독되는 이유는 많을수록 좋습니다. 이 장은 Harvey라는 매력적인 꼬마 로봇 친구를 만날 수 있는 기회를 제공합니다. 가지고 노는 것도 재미있지만 직접 만드는 것도 그만큼 재미있습니다. 대부분의 로봇은 능력이 뛰어나지만 Harvey는 이 점에서 덜 두드러집니다. 그는 단 하나의 목표를 가진 솔직한 사람입니다. 바로 백선을 따르는 것입니다. 사실, 그는 지칠 줄 모르고 전 세계를 도는 길을 따라 다시 돌아올 것입니다. 또한 태양으로부터 "먹이를 먹습니다". 로봇 제어 모든 로봇은 이동성, 즉 한 장소에서 다른 장소로 이동해야 하며 이동 과정에서 내비게이션 능력이 있어야 합니다. 이 두 가지 고유하지만 관련된 요구 사항은 두 개의 개별 장치로 충족됩니다. 첫 번째는 로봇의 기계적 움직임을 제어합니다. 이를 위해 서보 메커니즘이 사용됩니다. 서보는 인간의 근육과 유사한 로봇의 기계 부품입니다. Harvey에는 두 개의 서보 시스템이 필요합니다. 하나는 앞으로 이동(예: 자동차 엔진)하고 다른 하나는 움직임을 제어합니다. 이 두 시스템의 공동 작동을 보장하기가 항상 쉬운 것은 아닙니다. 문제는 두 가지 방법으로 해결됩니다. 첫 번째에서는 두 기능이 하나로 결합됩니다. 설명을 위해 그림 1을 살펴보겠습니다. XNUMX.
능동 모션 제어 시스템 트롤리(Harvey의 로봇)를 이동하는 가장 쉬운 방법은 구동 휠을 차축에 놓고 회전시키는 것입니다. 오래 전에 발명된 이 장치를 위해 설계되었으며 체인, V-벨트 및 기어 드라이브, 다이렉트 드라이브(모터에서)가 포함됩니다. 두 바퀴가 같은 속도로 회전하면 로봇은 직선으로 앞으로 이동합니다(당연히 두 바퀴의 직경이 같은 경우). 로봇의 이동 속도는 바퀴의 회전 속도에 비례합니다. 바퀴의 회전 속도가 같지 않은 경우를 고려하십시오. 이것은 차축을 반으로 나누고 각 바퀴에 별도의 드라이브를 제공함으로써 달성할 수 있습니다. 이전과 마찬가지로 두 바퀴가 같은 속도로 회전하면 로봇은 직선으로 움직입니다. 예를 들어 왼쪽 바퀴와 같은 한 바퀴의 회전 속도가 감소하면 트롤리가 왼쪽으로 회전합니다. 왜? 전체 이유는 더 낮은 속도로 회전하는 바퀴가 실제로 지지점을 형성하고(움직이더라도) 더 높은 회전 속도를 가진 다른 바퀴가 그 주위를 움직인다는 사실에 있습니다. 실제로 왼쪽 바퀴가 완전히 멈춘 경우 카트는 바퀴 사이의 거리와 동일한 반지름을 가진 작은 원을 제자리에 표시합니다. 마찬가지로 왼쪽에 대한 오른쪽 바퀴의 느린 회전으로 인해 로봇이 오른쪽으로 회전합니다. 실제로 두 메커니즘의 기능이 하나로 결합됩니다. 바퀴의 회전 속도를 별도로 변경하면 트롤리의 움직임뿐만 아니라 이동 방향도 제어할 수 있습니다. 많은 로봇에서 한 바퀴 또는 다른 바퀴의 회전을 단기적으로 중단하는 것이 가장 자주 사용되므로 필요한 동작 제어가 이루어집니다. 이 운동 원리에는 약간의 흔들림이 동반되지만 바퀴가 회전하지 않는 시간이 충분히 짧으면 저크가 부드러워지고 움직임이 비교적 부드러워집니다. 패시브 모션 컨트롤 두 번째 방법은 이동 기능과 제어 기능을 분리한 것이다. 직선 이동을 보장하기 위해 하나의 고정 축이 있으며 방향 전환을 위해 전방 피벗 스티어링 휠(또는 한 쌍의 바퀴)이 사용됩니다. 운전은 이 원칙을 기반으로 합니다.
스위블 휠이 구동 휠과 평행할 때 로봇은 정확히 앞으로 이동합니다(그림 2). 바퀴를 왼쪽으로 돌리면 왼쪽으로, 오른쪽으로 돌리면 로봇이 자동차처럼 오른쪽으로 돌게 됩니다. 이 방법의 장점은 부드러운 제어가 가능하다는 것입니다. 로봇은 점진적으로 또는 한꺼번에 회전할 수 있지만 뒷바퀴는 절대 멈추지 않아야 합니다. 나중에 명확해질 이유 때문에 Harvey의 로봇을 제어하기 위해 이 방법이 선택되었습니다. 이 경우 스티어링 휠은 소형 전기 모터로 구동됩니다. 전자 제어 우리는 로봇을 만드는 다음 단계인 추적 제어 시스템에 도달했습니다. 어느 정도의 지능이 없으면 Harvey는 단순히 무작위로 좌우로 "배회"할 것입니다. 대부분의 경우 모터 제어는 전자 장치의 문제입니다. Harvey의 백선을 "보기" 위해서는 "눈"이 필요합니다. Harvey의 눈은 그림에 표시된 한 쌍의 포토트랜지스터 Q1과 Q2입니다. 3. 포토트랜지스터는 케이스 윗부분을 제거하고 밑면에 빛을 비추는 일반 트랜지스터입니다. 빛은 일반적으로 트랜지스터 케이스의 덮개 역할도 하는 렌즈를 사용하여 p-n 접합에 초점을 맞춥니다.
빛이 베이스 영역에 닿으면 빛의 세기에 비례하는 컬렉터 전류가 트랜지스터를 통해 흐르게 되는데, 즉 정상적으로 베이스 핀으로 가던 신호가 이제 입사광에 의해 생성된다. 우리를 포함하여 대부분의 경우 포토트랜지스터에는 두 개의 출력만 있고 기본 출력은 없습니다. 광트랜지스터는 전류-전압 변환기 회로에 따라 연산 증폭기(op-amp)에 연결됩니다. 전자 공학의 기초에서 알다시피 연산 증폭기는 전류 증폭기입니다. 증폭기의 출력 전압은 반전 입력을 통해 흐르는 전류에 따라 달라지며, 기존 회로에서는 출력 신호가 반전 입력으로 피드백되어 신호가 합산됩니다. 피드백 전류와 입력 전류가 같을 때 증폭기는 평형 상태에 있습니다. 피드백 회로에 저항기(그림 2의 R3)가 포함된 경우 이 저항기를 통과하는 전압 강하는 저항기를 통해 흐르는 전류에 비례합니다. 또한 이 전압은 입력 신호에 비례하며 연산 증폭기 출력의 핀에서 가져옵니다. 또한 연산 증폭기에는 우리가 활용한 또 다른 흥미로운 기능이 있습니다. 이것은 차동 입력의 존재를 나타냅니다. 이들의 특징은 비반전 차동 입력에 적용된 신호가 반전 차동 입력의 신호에서 실제로 감산된다는 것입니다. 일종의 균형 잡힌 행동이 진행되고 있습니다. 핀 2와 3의 입력 전류가 동일하면 서로 상쇄되고 회로의 균형을 맞추는 데 피드백 전류가 필요하지 않습니다. 따라서 저항 R2 양단의 전압 강하는 신호가 있는 경우에도 XNUMX입니다. 입력 전류는 포토트랜지스터 Q1 및 Q2의 콜렉터 전류에 의해 결정됩니다. 빛을 가진 트랜지스터의 조도가 동일하면 동일한 전류가 흐릅니다. 완벽하게 일치하는 특성을 가진 한 쌍의 트랜지스터를 찾는 것은 불가능하기 때문에 Harvey의 두 "눈"사이의 작은 차이를 제거하기 위해 가변 저항 VR1이 회로에 사용됩니다. 포토트랜지스터는 그림 4과 같은 작은 패널에 배치됩니다. 1 강력한 적외선 LED SDXNUMX이있는 칸막이로 분리되어 있으며 광 트랜지스터는이 광원에서 차단되어 있기 때문에 방사선이 직접 떨어지지 않습니다. 장치를 반사 표면에 더 가까이 가져가면 모든 것이 바뀝니다. 빛은 표면에서 반사되어 포토트랜지스터에 의해 감지됩니다. 포토트랜지스터에 도달하는 빛의 양은 반사면의 광학적 특성에 따라 달라집니다. 유사한 원칙이 Harvey의 비전의 기초가 됩니다. 어두운 면보다 거울 같은 밝은 면에서 더 많은 빛이 반사됩니다 흰색 표면의 반사율이 가장 높으며 다른 모든 색상의 반사율은 흡수 계수에 따라 감소합니다. 검은색 표면은 최소한의 빛을 반사합니다.
어두운 배경에 흰색 선을 사용하여 Harvey의 동작 원리를 분석할 수 있습니다. 먼저 로봇을 흰색 선 바로 위에 배치하여 광센서가 IR 방사선에 동일하게 반응하도록 합니다. 그러면 IC1의 출력에 전압이 없습니다. 로봇을 왼쪽이나 오른쪽으로 움직이면 해당 포토트랜지스터가 흰색 선에서 벗어나 다른 것보다 빛을 적게 받습니다. 한 극성 또는 다른 극성의 전압이 연산 증폭기의 출력에 나타납니다. 이제 우리는 이 "고속도로"를 따라 이동할 때 흰색 선에 대한 로봇의 위치에 해당하는 신호를 갖게 되었습니다. 연산 증폭기의 출력 전압은 두 개의 임계값 회로에 연결된 두 개의 비교기 IC2 및 IC3에 공급됩니다.이 연결을 통해 입력 전압이 저항 R4의 분배기에 의해 설정된 특정 제한 내에 있으면 두 출력 모두 낮은 전위입니다. , R5 및 R6. 연산 증폭기의 출력 전압이 설정 범위의 하한 아래로 떨어지면 IC3의 비교기가 트리거되고 출력이 높은 전위로 설정됩니다. 베이스 전류는 트랜지스터 Q4를 열고 조향 모터를 전원 공급 장치의 음극 단자(-3V)에 연결합니다. 차례로 모터는 스티어링 휠의 회전 각도를 변경하여 흰색 선에 대한 광 트랜지스터의 수광면 변위를 제거합니다. 연산 증폭기 출력의 전압이 상한을 초과하면 같은 일이 발생합니다. IC2의 비교기가 작동하고 트랜지스터 Q3을 켭니다. 이제 조향 모터가 전원 공급 장치의 양극 단자(+3V)에 연결되고 반대 방향으로 회전하면서 요를 다시 한 번 보상합니다. 연산 증폭기 출력 전압이 3이면 트랜지스터 Q4과 QXNUMX가 모두 닫힙니다. 로봇 하비 만들기 이제 로봇의 기본 시스템에 대한 소개를 마쳤으므로 오랫동안 기다려온 나만의 Harvey 로봇을 만드는 단계에 도달했습니다. 로봇을 만드는 것은 특히 다양한 재료를 사용하는 경우 이 책에 있는 대부분의 공예보다 약간 더 많은 노력이 필요합니다. 나는 문제를 크게 단순화했음을 고백해야 합니다. 나는 새해 첫날 가장 가까운 라디오 부품점에 가서 이미 모든 기계 부품이 준비된 장난감 원격 제어 자동차를 샀습니다. 버려질 예정이던 연휴 끝나고 매장에 반납한 고장난 차를 골랐습니다. 장난감에는 송신기 장치가 없었지만 모든 모터와 동작 제어 메커니즘은 서비스 가능하고 작동 상태였습니다. 우선 구매로 많은 시간과 비용이 절약되었습니다. 양심이 맑아지고 로봇 제작 작업을 가속화 할 수 있었던 방법을 고백 했으므로 계속합시다. 먼저 차에서 모든 것을 꺼냅니다. 휠이 있는 섀시, 구동 휠 모터 및 자체 모터가 있는 조향 장치만 남겨둘 필요가 있습니다. 자동차에는 일반적으로 배터리 칸이 있습니다. 자동차가 원격 제어되는 경우 미래의 수제 장치를 위해 수신기와 송신기를 보관하십시오. 먼저 포토트랜지스터와 LED가 있는 패널을 자동차 섀시의 하단과 전면에 설치합니다. 두꺼운 짙은 플라스틱 조각에서 그림과 같은 모양의 패널을 잘라냅니다. 4. 원하는 경우 자동차 섀시에 포토트랜지스터와 LED를 직접 설치할 수 있지만 섀시의 가장 낮은 지점과 도중에 마주칠 수 있는 장애물 사이에 충분한 간격이 있어야 합니다. 또한 광검출기를 앞으로 많이 움직일수록 도로 상태의 작은 변화(흰색 선에서 오프셋)에 더 민감해집니다. 로봇의 속도와 움직임의 부드러움 사이에서 절충하려면 광트랜지스터를 구동 휠에 더 가깝게 설치하십시오.
광트랜지스터를 LED로부터 차폐하는 것을 잊지 마십시오. 작은 불투명 플라스틱 조각이나 종이를 댐퍼로 사용할 수 있습니다. 다음 단계는 제어 회로를 조립하는 것입니다. 이 책에 설명된 대부분의 장치의 경우와 마찬가지로 인쇄 회로 기판을 사용하여 조립되며 회로도는 그림에 나와 있습니다. 5 및 부품 배치 - 그림. 6. 모든 전원의 연결을 확인하십시오. 이를 위해 시간을 들이지 마십시오. 그렇지 않으면 로봇이 불안정하게 작동합니다. 구동 휠과 스티어링 모터는 RC 체인(각각 R9, C8 및 R10, C9)으로 보호됩니다. 무선 부품을 보드에 장착한 후 무선 제어 수신기 보드의 위치에 삽입합니다. 최종 조립을 위해 포토트랜지스터 리드를 연결 리드에서 모터까지 가능한 한 멀리 고정합니다. IC1은 이득이 매우 높으며 간섭 신호를 쉽게 증폭할 수 있습니다. 노이즈를 처리해야 하는 경우 차폐선을 사용하여 포토트랜지스터를 연결합니다. 배터리 함에는 Harvey에 전원을 공급하는 배터리를 위한 충분한 공간이 있지만 포함된 배터리는 다이어그램에 따라 두 배터리의 연결 지점에서 탭하여 변경해야 합니다. 장난감 자동차의 전기 회로에 제공된 스위치를 사용하십시오. 로봇에는 총 전압이 9V인 배터리 세트가 필요합니다. 따라서 배터리 구획의 여유 공간을 사용하여 다른 회로 구성 요소를 배치할 수 있으며 그 중 일부는 아래에서 설명합니다. 하비 건강검진 설치가 올바른지 확인한 후 로봇 성능의 첫 번째 테스트를 진행할 수 있습니다. 전원 스위치를 끈 상태에서 니켈 카드뮴 충전식 배터리 XNUMX개를 배터리함에 넣습니다. 토글 스위치를 켠 후 로봇은 앞으로 이동하면서 회전해야 합니다. 로봇의 움직임 특성을 주의 깊게 확인하십시오. 한쪽 광트랜지스터에 먼저 손전등을 비춘 다음 다른 광트랜지스터를 비춰 조향을 테스트할 수 있습니다. 모터의 회전 방향이 올바르지 않으면 출력 연결의 극성을 반대로 하십시오. 이제 검정색 배경에 가장 잘 그려진 흰색 줄무늬로 표시된 원에서 Harvey의 로봇 작업을 확인하십시오. 원의 반지름은 스티어링 휠의 회전 반지름보다 작아서는 안 됩니다. 트랙 스트립에 Harvey를 놓은 후 전원을 켜고 로봇의 움직임을 따르십시오. 전원 Harvey 로봇의 설계에는 기본적으로 작동 원리가 다른 두 개의 광전자 시스템이 사용됩니다. 우리는 이미 그들 중 하나(로봇의 "비전")를 다루었습니다. 그 작동은 조향 모터의 전류를 제어하는 감광 소자(포토트랜지스터)에 의해 제공됩니다.
로봇의 또 다른 광전자 시스템은 배터리를 충전 상태로 유지하는 태양 전지입니다. 믿기 어렵겠지만 Harvey는 아주 적은 양의 전기를 "먹습니다". 실제로 완전히 충전된 충전식 배터리 세트는 약 1시간 동안 자동 작동이 지속되며, 그 후에 로봇이 작동을 재개하려면 조명이 켜져 있어야 합니다. Harvey가 태양 아래 있으면 이동하면서 재충전됩니다.
그의 필요를 충족시키기 위해 12개의 태양 전지만 필요합니다. 80mA 이상을 생성하는 모든 셀을 사용할 수 있지만 가장 적합한 두 가지 크기를 찾았습니다. 그림에 표시된 첫 번째 표준 크기의 요소 배터리. 8은 네 부분으로 나누어진 세 개의 원형 요소로 구성되어 있습니다. 이 부품들은 그림에 표시된 배열과 직렬로 연결됩니다. 그 결과 "무당벌레"와 유사한 세 개의 원 형태로 배열된 요소 배터리가 생성됩니다. Harvey의 보다 견고한 외관은 Fig. 12. 로봇이 곤충(지네 또는 벌레)처럼 되어 움직이면서 미끄러집니다. 물론 다른 구성의 배터리를 만들 수 있습니다. 로봇의 교체 가능한 뚜껑을 만들어 더 많은 방식으로 자신을 표현할 수도 있습니다. 기억해야 할 사항: 태양 전지의 출력 전류가 낮을수록 배터리 충전 시간이 길어집니다. 충분한 양의 셀을 사용하는 경우 배터리를 과충전하지 않도록 주의하십시오. 챕터를 참조하십시오. 10, 니켈-카드뮴 배터리 및 그 특성에 대해 설명합니다.
추가 로봇 장비 로봇을 추가로 수정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 예를 들어, 한 쌍의 깜박이는 빛나는 "눈"(실제 감광성 "눈"과 혼동하지 말 것)이 장착된 로봇은 멋지게 보일 수 있습니다. 로봇은 소리를 내도록 "가르칠" 수 있습니다. 넓은 범위의 소리를 생성하는 많은 미세 회로가 상업적으로 이용 가능합니다. 이제 Harvey(또는 Harrietta)가 준비되었으므로 즐길 시간입니다. 그리고 로봇 공학에 대한 친숙함! 저자: 바이어스 T.
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