چگونه يک ربات مسيرياب بسازيم
نکته:
اين مطلب از وبسايت مهندسي رباتيک (www.robotics-engineering.ir ) برداشت شده است.

مقدمه
براي ساختن يک ربات بايد آشنايي مقدماتي با 3 رشته مکانيک ، برنامه نويسي و الکترونيک آشنايي داشته باشيم. البته نيازي نيست در تمامي اين رشته ها خود تسلط داشته باشيم چنانچه شما عضو يک تيم هستيد هر يک از اعضاي تيم بايد در مهارت خود تسلط داشته باشند تا شما به نتيجه دلخواه و ايده آل خود برسيد.
در اينجا روش ساخت يک ربات همچنين تجربياتي را که در اين زمينه کسب کرده ام در اختيار شما قرار خواهم داد. همانطور که گفته شد بحث ما شامل سه بخش است .
1) مکانيک
2) الکترونيک
3) برنامه نويسي

مکانيک
در مکانيک يک ربات مسيرياب چند بخش وجود دارد مکانيک ربات مسيرياب جزء ساده ترين مکانيک ها محسوب مي شود اين مکانيک شامل بخش هاي زير است.
1) شاسي (يا بدنه ) که تمام اجزاء روي آن قرار خواهند گرفت.
2) موتور ها
3) چرخ ها
4) برد سنسور

شاسي يا بدنه
اين بخش در ساده ترين حالت مي تواند يک طلق پلاستيکي يا چوب (تخنه سه لا) باشد که نسبتا سبک بوده و استحکام خوبي دارد. برد الکترونيکي شما روي آن پيچ مي شود و موتور ها و چرخ ها به آن وصل مي شود و برد سنسور در جاي خود قرار مي گيرد .

موتور ها
موتورهاي ربات يکي از مهمترين اجزاء ربات محسوب مي شوند از سه نوع موتور مي توان براي ربات استفاده کرد.
موتور هايي که بايد در اين ربات ها استفاده شوند از نوع DC Motor مي باشند و مستقيماً نمي توان آنها را به چرخ وصل کرد مگر اينکه توسط گيرباکس از سرعت آنها کم شود و به قدرت آنها اضافه شود.
1) موتورهاي اسباب بازي ها و گيرباکس آنها در ساده ترين حالت شما مي توانيد گيرباکس اسباب بازي ها را باز کرده و از آنها استفاده کنيد فقط اگر از اين روش استفاده مي کنيد دقت کنيد گيرباکس ها کاملاً روان باشند و موتورها نيز جريان کشي بالايي نداشته باشد. اگر موتور ها جريان کشي بالايي دارند بهتر است از يک موتور ديگر استفاده کرد .
2) گويي وپولي :روش ديگري که مي توان استفاده کرد استفاده از گويي وپولي ها است که از تسمه براي وصل کردن و تبديل دور استفاده مي شود اين روش هم خالي از مشکل نيست اين روش توصيه نمي شود .
3) موتورهاي گيرباکس دار: در اين موتورها موتور و گيرباکس داخل يک مجموعه قراردارند و در دورهاي مختلف با توان هاي مختلف عرضه شده اند بهترين گزينه استفاده از اين نوع موتورها مي باشد. چرا که يک مجموعه مطمئن است. بي صدا و حجم کمي را اشغال مي کنند و معمولا جريان کشي مناسبي دارند و تنها مشکل آن ها قيمت بالاي آنها است .
نکته 1: دقت کنيد موتورهاي معمولي را مستقيماً به چرخ وصل نکنيد زيرا آنها داراي سرعت بالا ( 2000 تا 3000 ) دور در دقيقه ولي قدرت لازم براي حرکت را ندارند .
نکته 2: شما در يک ربات مسيرياب به 2 موتور نياز داريد يکي براي موتور سمت راست و ديگري براي موتور سمت چپ مي باشد. بهتر است موتورها و چرخ ها در عقب ربات نصب شوند و چرخ هرزگرد و برد سنسور در جلوي ربات نصب شوند.
4) چرخ ها: براي يک ربات موفق مسيرياب چند نکته حائز اهميت است :
1) اندازه قطر چرخ ها
2) اندازه عرض چرخ ها
3) ميزان اصطحکاک چرخ با زمين
قطر چرخ ها: بهتر است اندازه چرخ ما طوري تعيين شود که با موتورها هماهنگي کاملي داشته باشد چون هر چه قطر چرخ ها بيشتر باشد با يک دور چرخش موتور ربات به مقدار بيشتري حرکت کند و هر چه چرخ ها کوچکتر باشد حرکت ربات کمتر است. پس اندازه چرخ ها با سرعت ربات نسبت مستقيم دارد.
عرض چرخ ها بهتر است بين 1 تا 2 سانتي متر باشد چون هر چقدر عرض چرخ ها بيشتر باشد هم وزن چرخ بيشتر مي شود و سطح اصطحکاک بيشتري با زمين پيدا مي کند .
براي اينکه لاستيک ها سر نخورند بهتر است چرخي را انتخاب کنيد که اصطحکاک بسيار بالايي با زمين داشته باشد .
نکته: ساده ترين روش براي بالا بردن اصطحکاک چرخ با زمين استفاده از چسب برق از جهت چسبنده روي چرخ است که چرخ کاملاً برروي زمين بچسبد و اصطحکاک زيادي داشته باشد .
چرخ هرزگرد : اين نوع چرخ چرخي است که فقط وظيفه حفظ تعادل ربات را بر عهده دارد و بايد کمترين اصطحکاک را بر با زمين داشته باشد تا در زماني که ربات به سمت راست يا چپ گردش داشت گشتاور کاملي داشته باشد يکي از نمونه هاي چرخ هرزگرد ساچمه يا بلبرينگ است .
برد سنسور : اين برد در جلوي رباب نصب مي شود و بايد فاصله استاندارد از سطح زمين را داشته باشد تا بهترين بازده از لحاظ وضعيت خط زير ربات را به ما ارائه دهد .
نکات مهم درباره مکانيک و نوع بستن آن
1) حتماً مکانيک کاملا محکم بسته شود
2) چنانچه از چسب استفاده مي کنيد سعي کنيد از چسب به همراه بست استفاده کنيد
3) براي اتصال برد ها به بدنه اصلي حتماً از پيچ و مهره و يا Spacer و مهره استفاده کنيد
4) براي محکم شدن اتصالات و جلوگيري از بازشدن آنها از واشر فنري استفاده کنيد
5) در جاهايي که ممکن است مهره يا Spacer باعث اتصالات در مدار شما شوند از واشر فيبري استفاده کنيد

الکترونيک
نکته :
سعي کنيد از فيبرهاي سوراخ دار براي برد اصلي استفاده نکنيد به اين دليل که سيم هاي زيادي استفاده مي شود و چنانچه يک سيم قطع شود ربات شما به درستي کار نمي کند.
به اين نکته توجه داشته باشيد مدار الکترونيکي شما حتما در مقابل نويز مقاوم باشد چون مدار درايور موتور و DC موتور ها نويز شديدي در مدار ايجاد مي کنند
چنانچه در طراحي و ساختار مدار و IC تجربه نداريد بهتر است از بردهاي آماده يا برد هاي آموزشي استفاده کنيد
الکترونيک مدار ربات مسير ياب از بخش هاي زير تشکيل شده است
1) مدار تغذيه
2) مدار درايور موتور
3) بخش خروجي ها
4) ميکروکنترلر
5) مقايسه گرهاي آنالوگ
6) مدار برد سنسور

مدار تغذيه :
اين بخش از مدار وظيفه تبديل ولتاژ ورودي مدار به برق 5 ولت را برعهده دارد برق مدار شما بايد 5 ولت باشد. به اين دليل که ميکرو کنترلر شما و اکثر المان هاي برد با برق 5 ولت کار مي کنند. براي اين تبديل ولتاژ بهتر است از رگولاتور 7805 استفاده و براي گرفتن نويز مدار يک خازن با ظرفيت بالا ( با اين بخش موازي کنيم LED 2000 ) و يک خازن با ظرفيت بسيار پايين با مدار موازي کنيم ، بهتر است يک uf تا وضيعت روشن يا خاموش بودن مدار کاملا مشخص باشد در اين مدار فقط خازن با ظرفيت پايين با مدار موازي شده که بهتر است يک خازن با ظرفيت بالا بعد از رگولاتور با مدار موازي شود.
1) مدار درايور موتور
يکي ديگر از مهمترين بخش هاي يک ربات بخش درايور موتور است . وظيفه اين بخش تأمين ولتاژ و جريان مورد نياز هاي موتور است و توسط ميکروکنترلر کنترل مي شود. ميکروکنترلر مستقيما نمي تواند برق موتور ها را تأمين کند براي راه اندازي موتور ها از 2 روش استفاده مي شود
2) رله
رله ها قطعات الکترو مکانيکي هستند که با وصل کردن برق رله اتصال دو سيم رله متصل مي شود و برق به موتور هاي ما وصل مي گردد . استفاده از رله چند عيب دارد ، سرعت قطع و وصل شدن رله کم است و نمي توان از آن به صورت PWM استفاده کرد ، موتور ها را نمي توانيم به صورت 2 جهته کنترل کنيم يعني هم به صورت چپ به راست و هم راست به چپ . تنها حسن رله مدار ساده آن و قدرت بالا در جريان دادن و ولتاژ آن است
3) ترانزيستور ها يا IC هاي درايور موتور
با ترانزيستور ها يا IC هاي درايور موتور مي توان موتور ها را کنترل کرد بهترين گزينه براي کنترل اين موتور ها آي سي L293 و آي سي l298 مي باشد که مي توان موتور هاي را به صورت 2 جهته کنترل کرد . چرا بايد از موتور ها به صورت 2 جهته استفاده کينم ؟
چنانچه بخواهيم ربات ما مستقيما به جلو حرکت کند کافي است 2 موتور را روشن کنيم چنانچه بخواهيم ربات به سمت راست بچرخد مي توانيم موتور سمت راست را خاموش کنيم و موتور سمت چپ روشن باشد تا ربات به سمت راست گردش داشته باشد چنانچه بخواهيم ربات به سمت چپ بچرخد مي توانيم موتور چپ را خاموش کنيم و موتور سمت راست روشن باشد تا ربات به سمت چپ گردش داشته باشد پس چرا موتور ها بايد به صورت 2 جهته کنترل شود ؟ دليل آن کاملا واضح است چنانچه بخواهيم ربات را با سرعت بالايي کنترل کنيم بايد در پيچ هاي 90 درجه يا بيشتر از معکوس استفاده کنيم يعني مثلا مي خواهيم ربات به سمت راست بچرخد به جاي خاموش کردن موتور سمت راست آن را به صورت معکوس روشن مي کنيم يعني موتور سمت راست به سمت عقب مي چرخد و موتور سمت چپ به سمت جلو پس ما گردش با سرعت بالاتر و حول محور مرکز ربات را خواهيم داشت و همين مسئله در گردش به سمت چپ صدق مي کند .

بخش هاي ورودي و خروجي
اين بخش ها مي تواند شامل LED و LCD ها باشد که بتوانيم خروجي هاي يک ربات و وضعيت هاي آن را مشاهده کنيم تا بتوانيم راحت تر مشکلات ربات را بررسي و برطرف کنيم البته اين بخش يک بخش اختياري در ربات است ولي بودن آن بسيار مفيد است و کمک مي کند .
ميکروکنترلر :
ميکرو کنترلر در حقيقت مغز ربات ما مي باشد و طبق برنامه که ما به آن مي دهيم ربات را کنترل مي کند يعني شامل فرايند دريافت ورودي از سنسور ها ، پردازش توسط برنامه اي که ما براي آن مشخص کرده ايم و خروجي دادن به موتور ها مي شود ميکرو هايي که معمولا در ربات هاي مسيرياب استفاده مي شود از 2 خانواده هستند
1) ميکروکنتر هاي 8051
2) ميکرو کنترهاي خانواده AVR
البته ما ميکرو کنترلر AVR را به چند دليل پيشنهاد مي کنيم
1) مدار ساده تر نسبت به خانواده 8051
2) داشتن مبدل آنالوگ به ديحيتال
3) داشتن PWM سخت افزاري
4) داشتن مدار پروگرامر ساده
5) تکنولوژي بالاتر در طراحي ميکرو و مقاوت بيشتر در مقابل Noise
نکته مهم در استفاده از ميکرو ها اين است که بايد مدار آن طوري بسته شود که کمترين ميزان Noise را داشته باشد چون اين ها نسبت به نويز يا تغيرات ولتاژ بسيار حساس هستند و مي تواند باعث Reset شدن يا هنگ کردن ميکرو شوند.

مدار مقايسه گر آنالوگ Opamp ها
اين مدار در صورتي مورد نياز است که از ميکرو هاي خانواده 8051 استفاده کنيم در اين مدار خروجي سنسور ها با يک ولتاژ متغير که توسط يک مقاومت متغير ساخته شده مقايسه مي شود و خروجي آنالوگ ولتاژ سنور ها به صفر يا يک تبديل شده که براي ميکرو قابل فهم است از Opamp هاي رايج مي توان به Lm324 اشاره کرد.
در ميکرو هاي در ميکرو هاي به دليل داشتن مبدل آنالوگ به ديجيتال ما ولتاژ را در ميکرو به صورت يک عدد بين 0 تا 1023 دريافت مي کنم که 0 به عنوان 0 ولت و 1023 به عنوان ولتاژ مرجع ( 5 ولت ) است

مدار سنسور
اين مدار به عنوان يکي از بخش هاي مهم در ربات شناخته مي شود و وظيفه اين بخش مشخص کردن وضعيت حالت زير سنسور است که آيا سفيد است يا مشکي ؟ براي مشخص کردن اين وضعيت از 2 نوع سنسور مي توان استفاده کرد .
1) فوتوسل
فوتوسل يک مقاومت متغير است که نسبت به تغيرات شدت نور حساس است مقدار مقاومت آن تغيير مي کند اگر بخواهيم از اين سنسور استفاده کنيم بايد از يک فرستنده که نور مرئي به زمين مي تابند استفاده کنيم و اندازه بازتاب نور را توسط فتوسل اندازه گيري کينم که اين کار دقت بالايي ندارد و نور مرئي مستقيما نبايد با گيرنده در ارتباط باشد و يکي ديگر از مشکلات اين روش اين است که خروجي سنسور هاي ربات در شرايط مختلف نوري تغيير مي کند و نور محيط بر آن تاثير مستقيم دارد
2) سنسور هاي مادون قرمز
اين سنسور ها در مقايسه با سنسور هاي فتوسل موفق تر هستند و از کيفيت بالاتري برخوار هستند چون از نور مرئي استفاده نمي کنند و نور محيط تاثير بسيار کمي در آن دارد بهترين نوع اين سنسور ها ، سنسور هاي فرستنده و گيرنده در يک پک مي باشند که به راحتي وضعيت زمين را مشخص مي کنند از اين نوع سنسور ها هم مي توان به سنسور GP2S06 اشاره کرد که توضيحات اين سنسور در اينجا آمده است دقت داشته باشيد طرز چيدن سنسور ها به الگوريتم برنامه مربوط مي شود ولي سعي کنيد حداقل از 5 سنسور در مدار خود استفاده کنيد.

برنامه نويسي :
برنامه يک ربات مسيرياب مي تواند شامل چند بخش باشد.
1) خواندن وضعيت از سنسور ها
2) تصميم گيري ( پردازش اطلاعات )
3) فرمان دادن به موتورها