ultimo aggiornamento 21 marzo 2011

Questo capitolo (il testo è tratto dal manuale d'uso - Capitolo 3) descrive ciascuna delle parti che costituiscono il robot mOway.

E 'importante per evidenziare che non è necessario conoscere il funzionamento complessivo del robot per essere in grado di programmarlo, almeno non a livello di dettaglio spiegato qui.  I seguenti elementi si trovano all'interno mOway:

• Processore

• Gruppo motore

• Due sensori di monitoraggio linea

• Sensori di rilevamento ostacoli

• Sensore di luce

• Connettore di espansione

• Sensore di temperature

• Altoparlante

• Microfono

• Accelerometro

• Indicatore di livello batteria.

• Led anteriore

• Led superiore bicolore

• Led di STOP

• Porta libera

• Sistema di alimentazione

• Modulo RF e RFUsb

Manuale d'uso del robot V.2.1.0

Image 1. Schema delle parti mOway's

Processore

Il cuore del robot mOway è rappresentato dal un microcontrollore PIC18F87J50 funzionante a 4 Mhz  prodotto da Microchip Technologies. Tutte le periferiche distribuite in tutto il robot suo complesso sono connesso alla sua porte di ingresso / uscita.
Alcuni di loro hanno bisogno di un ingresso digitale o l'uscita, altri bisogno di un ingresso analogico o in uscita e altri, invece, sono controllati da uno dei comunicazione bus I²C/SPI . La tabella seguente descrive come i pin del microcontrollore sono distribuiti.

 Tabella 1. PIC-connessione dei sensori

PIC18F87J50 High-Performance, 1-Mbit Flash USB Microcontrollers
Piedinatura	Datasheet	Foto dell'integrato

Gruppo motore

Per essere in grado di spostarsi il robot mOway utilizza un doppio gruppo  servo-motore.
Esso comprende sia una parte elettronica che una meccanica. La parte elettronica è principalmente responsabile della controllare la velocità del motore e la parte meccanica permettono di muovere mOway libero su diversi terreni, con una potenza adeguata.

Immagine 2. Sistema di azionamento: elettronico e meccanico

Il gruppo di servo-motore include funzioni diverse:

1. Controllo velocità: controlla la velocità di ciascun motore.
2. Tempo di controllo: controlla il tempo per ogni comando con una precisione di 100 ms.
3. Controllo della distanza percorsa: Controlla la distanza percorsa da ogni comando con una precisione di 1 mm ca.
4. Generale tachimetro: misura le distanze percorse dal comando iniziale.
5. Controllo dell'angolo: controlla l'angolo di quando il robot mOway ruota.

Il microcontrollore principale invia il comando I²C al sistema di azionamento che controlla i motori e quindi rilasciando il microcontrollore principale in modo che possa svolgere altri compiti.
Il controllo della velocità si effettua per mezzo di un controllo proporzionale con  segnale negativodi feedback da parte degli encoder.
L'illustrazione mostra il sistema di controllo. Il microcontrollore alimenta i motori attraverso un ponte H controllando da larghezza dell'impulso dei segnali della modulazione (PWM).
La rotazione della ruota è controllata da un adesivo e una codifica sensore infrarosso. Se l'immagine mostra il suo segmento nero, l'uscita logica deve essere di 1 e quando si mostra il settore del bianco l'uscita è pari a 0.
Il microcontrollore analizza questi segnali (si può determinare l'esatta velocità della ruota misurando la larghezza di impulsi) e agisce sui motori.
In questo modo il robot mOway sarà in grado di mantenere la velocità costante su ogni di superficie.

Immagine 3. Schema controllo motore

Per inviare un comando di movimento al robot, attraverso il microcontroller principale, occorre inviare i parametri di comando di movimento.
A tal fine si utilizzano alcune librerie che sono state progettate in linguaggio assembler e C per facilitare le comunicazioni attraverso il bus di comunicazione I²C.
La tabella seguente descrive i collegamenti tra la scheda principale e l'unità servomotore.

Tabella 2. Connessione del Processore al gruppo motore

Immagine 4. Posizionamento dei sensori e dei led indicatori

Immagine 5. Vista superiore del PCB del robot mOway

Immagine 6. Vista inferiore del PCB  del robot mOway

Sensori di linea

I sensori di tracciamento linea sono due accoppiatori ottici a riflessione montati sulla parte frontale anteriore del robot.
Usano la riflessione della luce a infrarossi per rilevare il colore del terreno nel punto in cui si trova il robot.
Questi due sensori sono collegati a due porte analogiche del microcontrollore così è possibile rilevare forti contrasti, come le linee bianche su sfondi neri. Essi sono anche in grado di distinguere toni diversi.
Il sensore CNY70 Vishay ha una costruzione compatta, dove la luce che emettono sorgente e il rivelatore sono disposti nella stessa direzione per essere in grado di rilevare tramite il raggio IR riflettenti la luce riflessa del terreno.  Nelle immagini qui sotto i tre casi possibili si possono osservare:

Superficie chiara: una superficie bianca riflette tutta la luce infrarossa e quindi si ottiene una lettura a bassa tensione di uscita del transistor, quando in modalità normale.

Image 7. Linea di monitoraggio del sensore su una superficie chiara.

Sensore ottico a raggi infrarossi a riflessione tipo CNY70
Piedinatura	Datasheet	Foto del sensore

Superficie Colorata: una superficie colorata riflette parte della luce emessa ottenere una tensione intermedia a analogico del microcontrollore canale di ingresso. Questo modo i colori sono facilmente identified. A causa della tolleranza dei due sensori CNY70 i valori possono differire

Immagine 8. Linea di monitoraggio del sensore su una superficie colorata.

Superficie nera: una superficie scura riflette la poca luce per ottenere un elevato lettura della tensione in uscita del sensore.

Immagine 9. Linea di monitoraggio del sensore su una superficie scura.

Tabella 3. Line tracking sensors -PIC connections

Immagine 10. Posizione dei sensori di linea

Sensori di rilevamento ostacoli

Simile ai sensori di rilevamento linea, i sensori di rilevamento ostacoli usano la luce a infrarossi per rilevare gli oggetti situati di fronte al robot mOway.
Il sensore include due sorgenti emittente raggi infrarossi ( tipo KPA3010-F3C della Kingbright) e quattro ricevitori posizionati su entrambi i lati del robot mOway.
L'uscita dei ricevitori tipo PT100F0MP della Sharp sono collegati agli ingressi analogici del microcontrollore in modo che possa rilevare la presenza di qualsiasi oggetto (modalità digitale) e anche misurare la distanza (modalità analogica), a causa della tolleranza dei due differenti sensori possono differire l'uno dall'altro.
Le funzioni del sensore è modo simile al sensore di monitoraggio linea. L'emettitore di luce genera un impulso di 70µs che permette al ricevitore di catturare qualsiasi ostacolo utilizzando un di filtraggio e di uno stadio di amplificazione.
Una volta che il segnale viene elaborato elettronicamente, il PIC può misurarlo attraverso l'ADC o come un ingresso digitale.
Nel funzionamento digitale la distanza di rilevamento è vicino a 3 cm, in un ambiente luminoso si raccomanda di aumentare il riflesso della luce infrarossa.

Image 11. Sensore di rilevamento ostacoli

Immagine 12. Posizione del sensore di ostacolo

KPA-3010F3C - 3.0x1.0 mm RIGHT ANGLE INFRARED EMITING DIODE
Piedinatura	Datasheet	Foto

PT100MF0MP Surface Mount Type, Opaque Resin Phototransistor
Piedinatura	Datasheet	Foto

Sensore di luminosità

Questo sensore permette al robot mOway di riconoscere l'intensità della luce che entra attraverso un mezzo piccola apertura a forma di luna sulla parte superiore del telaio.
Dal momento che è rivolta in avanti permette di rilevare dove si trova la fonte di luce e di agire di conseguenza.
L'uscita del sensore APDS AVAGO-9002  è collegato alla porta analogica del microcontrollore in modo che con una semplice lettura di tipo ADC è in grado di registrare il livello di intensità della luce e qualsiasi cambiamento nei livelli di intensità sulla base delle ultime letture.
Per avere una valida lettura occorre disattivare il led bicolore.

Tabella 5. PIC -light sensor connection

Immagine 13. Posizione del sensore di luce

APDS-9002 Miniature Surface-Mount Ambient Light Photo Sensor
Piedinatura	Datasheet	Foto

Connettore di espansione

Questo connettore consente al robot mOway per connetterti con eventuali moduli commerciali o circuiti elettronici che l'utente può scegliere.
Come indicato nella tabella 6 è possibile collegare dispositivi commerciali SPI.
Il modulo RF BZI-RF2GH4 disponibile sul mercato è totalmente compatibile con il robot mOway e con le librerie specifiche.
Questo modulo permette a mOway comunicare con altri robot e con un PC tramite il RFUsb.
Con questo modulo è possibile creare applicazioni di collaborazione complessi senza doversi preoccupare di complicate le comunicazioni wireless.

Tabella 6. Expansion connector connections

Immagine 14. Moduli RF e scheda di espansione.

Sensore di temperatura

Il robot mOway ha installato un misuratore di temperatura rappresentato da un termistore NTC Murata, un semiconduttore elettrico variabile la cui resistenza diminuisce all'aumentare della temperatura.
Il sensore si trova nella parte anteriore del robot, molto vicino al sensore di ostacoli. Il termistore è collegato alla porta analogica del microcontrollore in modo che con una semplice lettura di tipo ADC è possibile ottenere il valore di temperatura.
Data la sua posizione, la temperatura misurata dal sensore può essere di 5 °C superiore alla temperatura esterna.

Tabella 7. PIC-Temperature sensor connection

Altoparlante

Il CMT-1102 altoparlante prodotto dalla CUI Inc. collegati direttamente al microcontrollore, è in grado di riprodurre i toni da 250 Hz a 65 kHz.

Tabella 8. PIC-Speaker connection

Specifiche di funzionamento

CMT-1102 piezo audio transducer
Piedinatura	Datasheet	Foto

Microfono

Il microfono CMC-5042PF-AC prodotto dalla CUI Inc permette al robot di rilevare suoni compresi tra 100 Hz e 20 KHz.
L'uscita è collegato direttamente ad un ingresso analogico del microcontrollore in modo che sia in grado di rilevare non solo se c'è il suono o no (modalità digitale), ma anche l'intensità della il suono con una semplice lettura della ADC (modalità analogica).

Tabella 9. PIC - Connessione del Microfono

CMC-5042PF-AC electret condenser microphone
Piedinatura	Datasheet	Foto

Specifiche di funzionamento

Accelerometro
Un accelerometro è un dispositivo che misura l'accelerazione e la forza indotta dalla gravità: il movimento e la rotazione.
Ci sono molti tipi di accelerometri, la maggior parte dei  quali si basa su cristalli piezoelettrici, ma questi sono di grandi dimensioni.
A causa di ciò, si è cercato di disegnare un piccolo dispositivo nel campo della microelettronica, che potesse migliorare l'applicabilità.
Sono così nati gli accelerometri MEMS (MicroElectroMechanical Systems).
Un modo semplice per creare un accelerometro è misurare le modifiche in un condensatore.   I condensatori possono funzionare come sensori o come attuatori.
Nel caso del robot mOway, l' accelerometro è di tipo capacitivo, che consiste di due condensatori collegati in modo differenziale la cui variazioni di capacità elettrica  varia come l'accelerazione.
Misurando tramite l'accelerometro MMA7455L (prodotto dalla Freescale Semiconductor) i valori di X, Y, Z  è possibile sapere se mOway sia posizionato correttamente, invertito o inclinato.

Tabella 10. PIC-Accelerometer connection

MMA7455L: XYZ-AXIS ACCELEROMETER ±2g/±4g/±8g
Piedinatura	Datasheet	Foto dell'integrato

Livello della batteria

Il robot ha una batteria di celle Lipo ricaricabile. Per un corretto funzionamento della microcontrollore, la batteria è collegata ad uno dei suoi ingressi analogici attraverso un partitore.
Così, il livello della batteria può essere misurata con una lettura ADC.
 

Tabella 11. PIC Connessione controllo batteria

LED anteriore

Il frontale LED è un LED bianco posto sul lato anteriore del robot mOway.    L'uscita digitale del microcontrollore è collegato ad un led tipo   LW A6SG LED prodotto dalla OSRAM.

Tabella 12. PIC -front LED connections

LW A6SG - Hyper SIDELED® long life Enhanced optical Power LED (ThinGaN®)
Piedinatura	Datasheet	Foto

LED superiore bicolore

Questo doppio indicatore utilizza  la stessa apertura sulla parte superiore del robot utilizzata dal sensore di luce. Essi sono collegati a due uscite digitali del microcontrollore.
In quanto essi condividono la stessa apertura, come la luce del sensore di luce è fondamentale che siano disattivati se si vuole effettuare una lettura alla massima intensità.

Tabella 13. PIC-Top LED connection

Image 15. Robot con LED anteriore e led rosso acceso

LED di Stop

Il doppio indicatore LED del freno è posto sul retro del robot mOway. L'uscita  è collegato a una delle uscite digitali del microcontrollore. 

Tabella 14. PIC-Brake LED connection

Immagine 16. Stop a LED posizione. Accendere il LED verde.

Free Pad

Il robot mOway ha implementato una porta libera per consentire agli utenti di connettere i propri sensori. Questo  è accessibile aprendo il robot, e si trova vicino al LED6 (freno)

Tabella 15. PIC-free Pad connection

Sistema di Alimentazione

La batteria del robot mOway si trova all'interno e accessibile solo attraverso la scomposizione del robot. Si tratta di una piccola batteria ricaricabile LiPo, tensione 3.7V - 350 mAh

La batteria può essere ricaricata tramite porta USB di un computer attraverso la porta MINI-USB-B.
Non c'è bisogno di aspettare che la batteria sia completamente scarica, come si può essere ricaricata in qualsiasi momento, dato che queste batterie non hanno effetto memoria.
Queste batterie sono una fonte di alimentazione ideale per mOway a causa delle loro piccole dimensioni, leggerezza e flessibilità. durata della batteria dipende in larga misura sui sensori attivi e la quantità di tempo i motori sono utilizzati.
La carica dura circa 2 ore, il sistema di alimentazione controlla due LED situato nella parte posteriore del robot
Il LED verde indica che mOway è acceso e il LED rosso indica che la batteria è in carica. Quando la batteria è carica il LED rosso si spegne.

Immagine 17. Carica (rosso) e acceso (verde)

Modulo RF e RFUsb

Il modulo RF consente di comunicare con altri robot mOway o con il PC utilizzando RFUsb

Immagine 18. Modulo RF

Immagine 19. RFUsb

Il modulo RF è collegato tramite il connettore di espansione ed è molto facile da usare con mOwayGUI.

Il modulo di comunicazione a radio-frequenza BZI-RF2GH4  si basa sul ricetrasmettitore nRF24L01 prodotto da "Nordic Semiconductors". Questo circuito integrato  è stato dotato di tutta la logica necessaria per stabilire una comunicazione wireless bidirezionale.
La comunicazioni con il microcontrollore avviene tramite un bus SPI.

Le principali caratteristiche del modulo BZI-RF2GH4 sono i seguenti:

• Basso consumo.
• Lavoro di frequenza: 2,4 GHz,
• Trasmissione di potenza tra-18 e 0 dBm,
• La velocità di trasmissione tra 1 e 2 Mbps,
• 128 in canali di trasmissione selezionabili tramite il bus SPI.