Project robots. 1

Naam:

Project robots. 2

1. Inleiding

2. Zelf een robotje bouwen

5. Bijlage: tekenbundel

3. Microchips sturen de robot ! Stuur jij de microchip?

4. Logische stuurtechniek: Een baan programmeren met deSiemens LOGO

Project robots. 3

1. Inleiding

Voorwoord

In het volgende project gaan we een ‘Robot buggy’ maken. Hierin gaan we zoveel mogelijktechnische vakken proberen te betrekken om zo een deel nieuwe leerstof te verwerken. Naastde lessen realisaties, tekenen en schakeltechnieken zullen dus ook de lessen theoretischemechanica, elektriciteit en wie weet welke vakken nog aan bod komen…Je zal aan deze bundel dus met verschillende leerkrachten werken.

We maken een stemgestuurde buggy die een microfoon gebruikt alsdetector. De buggy verandert van richting wanneer de sensor lawaaidetecteert of wanneer de buggy een voorwerp raakt. De buggy werkt op 1 9VDC batterij ( niet meegeleverd) voor de elektrische onderdelen en 2 AA-batterijen van 1.5V voor de mechanische onderdelen (niet meegeleverd).

Robotica in de industrie

Robotica is een wetenschap die vooral gericht is op systeemintegratie. Een goed ontworpenrobot zal zijn waarnemingen (die verkregen zijn met behulp van sensoren) op een goedemanier kunnen vertalen naar handelingen die zijn actuatoren zullen uitvoeren. Dit moet danzó gebeuren dat de robot de vooraf gestelde taken kan vervullen. De verschillende stappen diemet deze operaties gepaard gaan, hebben een waaier van onderzoeksdomeinen voortgebrachtdie elk één van de problemen behandelt die overwonnen moeten worden bij de constructievan een robot. (sensing, controlling, robo kinematica…)

Robots kennen ook een zeer breed raakvlak qua inzetbaarheid:

Industrie

In de industrie worden veel robots gebruikt om goedkoper en gemakkelijker teproduceren. In de auto-industrie (de sector waar voor het eerst een robotgebruikt werd: Unimate) bijvoorbeeld worden ze gebruikt aan vollediggeautomatiseerde productielijnen. Ook worden ze gebruikt om taken uit tevoeren die voor mensen te saai zouden zijn, zoals het inpakken

In de nucleaire industrie worden robots of manipulatoren gebruikt in ruimteswaar voor mensen een te hoge straling heerst om gezond te kunnen blijven.

Ruimtevaart

Aangezien het veel gemakkelijker en veiliger is om in plaats vanmensen robots naar de ruimte te sturen, worden die daar veelgebruikt. De sondes die naar planeten worden gestuurd (vb. demarsrover Spirit) zijn geavanceerde robots die zelfstandig allerleiwaarnemingen kunnen uitvoeren en van daaruit die terug naar deaarde sturen.

Project robots. 4

Geneeskunde

In de geneeskunde worden robots gebruikt omdat deze veelnauwkeuriger en op kleinere schaal operaties kunnen uitvoeren. Derobots kunnen dezelfde beweging als de chirurg uitvoeren, maar dezevijf keer kleiner. Doordat de ingreep op kleinere schaal gebeurt, is dewonde veel kleiner en gaat de revalidatie van de patiënt dus ook veelsneller. Ze worden wel nog volledig door de chirurgen bestuurd, dushet zijn geen computers die de robots sturen.

Leger

Legers gebruiken ook steeds meer robottechnologieën in hunmilitaire operaties omdat zo hun soldaten geen gevaar meerlopen. Vooral de Verenigde Staten doen daar veel onderzoeknaar. Zij willen dat tegen 2020 30% van hun grondtroependoor robots wordt vervangen.

Huishouden

Langzaamaan komen er steeds meer gespecialiseerde robots omgeestdodende taken in het huishouden over te nemen zoals stofzuigen engrasmaaien. In wezen is de wasautomaat zonder dat het gerealiseerdwordt een reeds ingeburgerde gespecialiseerde robot.

Revalidatie

In bovenstaande toepassingen wordt de robot gebruikt om menselijkehandelingen in mensvijandige omgevingen uit te voeren (in de ruimte, dediepzee of op het slagveld). Of om geestdodende of zeer nauwkeurigehandelingen uit te voeren (in de industrie, huishouden of in degeneeskunde).

In de revalidatietoepassingen daarentegen dient de robot om gewonealledaagse handelingen uit te voeren. De robot compenseert de(motorische) beperking van de gebruiker.

Werking van de robot buggy die we bouwen

Als je de buggy op grond plaatst en je zet de schakelaar aan, dan zal de buggy van bewegingveranderen telkens je in je handen klapt of wanneer het tegen een obstakel botst. De buggy voertachtereenvolgens de volgende bewegingen uit: STOP ► VOORUIT LINKS ► STOP ►VOORUIT RECHTS ► STOP ► VOORWAARTS IN RECHTE LIJN

Pas de gevoeligheid van de microfoon aan met een schroevendraaier ( potentiometer ). Draainaar rechts om de gevoeligheid te verhogen en omgekeerd

Project robots. 5

3.1 Microchip als procesverwerker

3.2 De Formula Flowcode Robot

3.3 De taal van de µC… Crack the codes!

3.4 LEDs en codes

3.5 Jumpy

3.6 Variabele

3.7 Looping the loop

3.8 Running the light- the night rider

3.9 Ringtone mania

3.10 Input

3.11 If… Then… else

3.12 Motor speed

3.13 Electronic Switch

3.14 H – Bridge

3.15 PWM speed control

3.16 Follow the line

3.17 Reaction sound

3.18 Externe interupt

3.19 VU meter

3.20 Follow the light

3.21 IR distance sensors

3.22 LCD

3.23 Timer interrupt

3. Microchips sturen de robot! Stuur jij de microchip?

Project robots. 6

3.24 Project 7 segment3.1 Microchip als procesverwerker

Zoals reeds gezien in schakeltechnieken kan de opbouw van robotica, productie-en verwerkingsmachines worden opgesplitst in twee grote delen:

-De mechanische constructie:

Deze constructie bestaat steeds uit een vast gedeelte (chassis) waarrond eenbeweegbaar gedeelte is opgebouwd. Het beweegbaar gedeelte is onder impuls vanhet vermogen gedeelte, verantwoordelijk voor het vervaardigen en of afwerken vande producten of uitvoeren van geautomatiseerde taken.

-De elektrische constructie:

Verzorgt op zijn beurt het vermogen gedeelte, m.a.w. de bewegende mechanischedelen worden aangedreven door een elektrische motor, pneumatische ofhydraulische cilinders. Die vermogen omvormers worden op hun beurt gestuurdvanuit een centrale sturing (verwerkingseenheid). Deze sturing is op haar beurtafhankelijk van de signaalgevers, dit kunnen bevelgevend of signaalopnemerszijn. Tezamen bepalen ze de logische volgorde van de bewerkingen.

Onderstaande figuur verduidelijkt de voorgaande tekst.

A B C

INVOER VERWERKING UITVOER

Project robots. 7

De mannier waarop de verwerking gebeurd kan dus verschillen:

A Enerzijds via traditioneel bedrade (vaak complexe) elektrische schakelingen metkontaktoren, relais, tijdklokken en andere schakelkomponenten

B Anderzijds via vrij programmeerbare stuurtechniek zoals ( Micro ) PLC’s als deSiemens LOGO. In de industrie “embedded systems” genoemd.

Als we echter nog één laatste stapje verder gaan, gaan we machines, robots, toestellen,telefoons… Ontwerpen waarbij enkel de basis benodigde componenten aanwezig zijn om de(elektrische) technische probleemstelling op te lossen. Zo gaan we niet alleen de totaleproductiekost verminderen, maar ook de beschikbare ruimte en omvang. Daarom gaan we nuenkel nog een microchip en de benodigde randcomponenten gebruiken om tot eenhoogtechnologische oplossing te komen.Vaak ging dit in het verleden ten koste van programmeer gemak en “doe- het zelf gehalte” Omdatslechts een select groepje techneuten de taal verstonden om µchips te programmeren.Maar ook dat is nu anders, met flowcode ( programmeersoftware) wordt het veel eenvoudiger omte programmeren. D.m.v. flowcharts en een duidelijke grafische omgeving, die automatisch eenverstaanbare taal voor de µchip genereert kan haast iedereen nu aan de slag…

Daarom nu de laatste procesverwerkingsmethode:

C De Microchip! De Combinatie van het aansturen van eenmechanisch deel met microprocessoren en bijhorende elektronicanoemen we ook wel Mechatronica.

Gebruik van 8-bitmicrocontrollers

Project robots. 8

40

39

38

37

36

35

34

33

32

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

RB7/PGD

RB6/PGC

RB5

RB4

RB3/PGM

RB2

RB1

RB0/INT

VDD

VSS

RD7/PSP7

RD6/PSP6

RD5/PSP5

RD4/PSP4

RC7/RX/DT

RC6/TX/CK

RC5/SDO

RC4/SDI/SDA

RD3/PSP3

RD2/PSP2RD1/PSP1

RD0/PSP0

RC3/SCK/SCL

RC2/CCP1

RC1/T1OSI/CCP2

RC0/T1OSO/T1CKI

OSC2/CLK0

OSC1/CLKI

VSS

VDD

RE2/CS/AN7

RE1/WR/AN6

RE0/RD/AN5

RA5/AN4/SS/C2OUT

RA4/TOCKI/C1OUT

RA3/AN3/Vref+

RA2/AN2/Vref-/CVref

RA1/AN1

RA0/AN0

/MCLR/Vpp16F877A

+5V

+5V

+5V

Vergelijking PC - µC

De µchip is eigenlijk net als een PC. Met ingangen, uitgangen, RAM geheugen, ROM geheugen,EEPROM…Alleen veel kleiner, en ook kleiner qua verwerkingscapaciteit.

Geheugens:

Naargelang het geheugen al dan niet vluchtig is en de(her)programmeerbaarheidervan kunnen we volgende geheugens onderscheiden:

RB7RB6RB5RB4RB3RB2RB1RB0/INTRA5/AN4RA4/T0CKIRA3/AN3RA2/AN2RA1/AN1RA0/AN0

POR

TAPO

RTB

FLASH-TYPEPROGRAM MEMORY

TELLS THE ALU WHAT TO DO

THE PROGRAM YOU WRITECOMES IN HERE

8000 lines of 14 BIT WIDE

RAM-TYPEDATA MEMORY

ALL THEVARIABLES WILL

BE STOREDHERE

368 lines of 8 BIT

RC5RC4RC3

RC1/CCP2RC0/T1CKI

POR

TCPO

RTD

RC2/CCP1

RC6RC7

RD5RD4RD3

RD1RD0

RD2

RD6RD7

RE2/AN7RE1/AN6RE0/AN5

INT

ALU

EEPROM-TYPEDATA MEMORY

DATA CAN BESTORED HEREPERMANENTLY

256 lines of 8 BIT

OSC1OSC2 /4

Clock from external oscillator System clock

14 BIT WIDE INSTRUCTION BUS

/1/2/4/8/16/32/64

/128/256

TMR0 8-BIT REGISTER

+1

ORRA4/

T0CKI

START TMR0MACRO NOW!

ON TMR0 OVERFLOW

/1/2/4/8

TMR1 8-BIT REGISTER

+1

RC0/T1CKI

ON TMR1 OVERFLOW

START TMR1MACRO NOW!

AN

0A

N1

AN

2A

N3

AN

4A

N5

AN

6A

N7

A/D

8-MSB BITS = BYTE

10- BITS = 10 LSB of INTEGER

RB

0/INT

OR

RB

7R

B6

RB

5R

B4

INT

STAR

TR

B0

MA

CR

ON

OW

!

STAR

TPO

RT

MA

CR

ON

OW

! A/D 10-BIT REGISTER

8-BIT WIDE BUS

POR

TE

LEVELCHANGE

Project robots. 9

RAM (Random Access Memory): geheugen dat snel gelezen en gescheven kan worden. Meestalwordt dit gebruikt voor data. Indien de spanning wegvalt wordt het geheugen gewist.

ROM (Read Only Memory): geheugen dat voorgeprogrammeerd is en enkel kan gelezen worden.

PROM (Programmable ROM): ROM geheugen dat één keer kan geschrevenworden.

3.2 De formulla flowcode robot

Om jullie te leren programmeren, kozen we als harware een kleine robot de formulla flowcode.Deze is voorzien van een microproccesor van het merk PIC.

Blok schema van de Robot:Volgend blokschema bevatenkel de standaardcomponenten die wezullen gebruiken van deFFrobot. Alle I/O pinnenzijn duidelijk vernoemd.Dit is een heel handigschema als je aan’tprogrammeren bent.Tijdens de volgendelessen zullen we steedsterug verwijzen naar ditschema.

Project robots. 10

ALU14 BIT WIDE

INSTRUCTION BUS

MIC

MO

TOR

BUZZER

A/D REGISTER

RAM-TYPEDATA MEMORY

368 lines of 8 BIT

FLASH-TYPEPROGRAMMEMORY

12288 lines of 14 BIT0 1 0 1 0 1 0 10x 000

0x 001

0x 002

0x 003

0x 16E

0x 16F

0 1 1 1 0 0 11

BIT A0

BIT B5

BIT B0

BIT B1

BIT B2

ADC 9

ADC 1

BIT A2ADC 3

BIT A4

‘1’ OR ‘0’

PWM 1 BIT C2

‘1’ OR ‘0’

PWM 2

BIT E1

BIT C0

BIT D7

BIT D6

BIT D5

BIT D4

BIT D3

BIT D1

BIT D0

BIT D2

ADC 4

ADC 8

BIT B4

RIG

HT

MO

TOR

BIT C1

BIT E0

LEFT

Adress

2 PRESS BUTTONS

2 LINE SENSORS

SOUND SENS.

LIGHT SENS.

3 DISTANCE SENS.

8 LED’s

LOUDSPEAKER

2 DC MOTORS

A/D

8 BIT WIDE DATA-BUS

SENSORS ACTUATORSFORMULA FLOWCODEBLOCK SCHEMATIC

PIC18F4455

L

F

R

Project robots. 11

Foto met benoemde onderdelenOnderstaande tekening en tabel geeft aan wat wat is op de buggy.

Project robots. 12

40

39

38

37

36

35

34

33

32

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

RB7/PGD

RB6/PGC

RB5

RB4

RB3/PGM

RB2

RB1

RB0/INT

VDD

VSS

RD7/PSP7

RD6/PSP6

RD5/PSP5

RD4/PSP4

RC7/RX/DT

RC6/TX/CK

RC5/SDO

RC4/SDI/SDA

RD3/PSP3

RD2/PSP2RD1/PSP1

RD0/PSP0

RC3/SCK/SCL

RC2/CCP1

RC1/T1OSI/CCP2

RC0/T1OSO/T1CKI

OSC2/CLK0

OSC1/CLKI

VSS

VDD

RE2/CS/AN7

RE1/WR/AN6

RE0/RD/AN5

RA5/AN4/SS/C2OUT

RA4/TOCKI/C1OUT

RA3/AN3/Vref+

RA2/AN2/Vref-/CVref

RA1/AN1

RA0/AN0

/MCLR/Vpp

16F877A+5V

+5V

+5V

De PIC microcontroller

Doel van dit hoofdstuk: Kennis maken met de basisfuncties van de microcontroller.Het kloppend hart van de Formula Flowcode buggy is een krachtige PIC18F4455 8-bitmicrocontroller van Microchip. Alle sensors, actuators en uitbreidingsmogelijkheden van de FFRobot zijn via koperen printbanen verbonden op de PCB met 1 of meerdere pinnen van de PIC(zie onderstaande tekening).Dit wordt verder verduidelijkt door middel van de schema’s in de komende hoofdstukken.

Deze microcontroller kan met de Flowcode geprogrammeerd worden om stap voor stap, maartegen een grote snelheid, bepaalde bewerkingen te doen:a) Inputs inlezen (schakelaars, … )b) Outputs uitsturen (speaker, LEDs, motors… )c) Analoge signalen inlezen (LDR, … ) en omzetten naar digitale omzettend) Pulsen genereren op bepaalde exacte tijdstippene) … .In principe kunnen we de PIC zien als een programmeerbare bouwsteen (Black Box) waar eenaantal inputs en outputs aan zitten.

Project robots. 13

3.3 De taal van de µC… Crack the codes!

De volgende hoofdstukjes werken we zelf individueel, iedereen dus aaneigen tempo af d.m.v. videolessen. Begrijp je iets niet, dan spoel jeterug en beluister je opnieuw. Neem tijd voor elke les en elkeuitdaging. Het is absoluut geen race! Een les duurt slechts enkeleminuten werk dus zeer geconcentreerd. Er wordt heel veel informatiegegeven in weinig tijd. Vraag pas hulp aan jeleerkracht als je zeker weet dat het antwoord niet

in de videolessen zit.

Er is ook vaak een opdracht voorzien, je ziet dannevenstaand symbool. Druk dan op pauze en voer jeopdracht met veel zorg uit.

Ook moet je je antwoorden vaak in de cursus noteren, verlies dus ook deze niet uit het oog!

Vraagjes:

Hoe laat is het op de klokjes?

h min sec

Versta je de techneuten t-shirts? Noteer de leuze in decimaleschrijfwijze:

Project robots. 14

Vul onderstaande tabel aan:

Noteer onderstaande decimale getallenzowel als Binair Hexadecimaal als ASCI:

14

78

127

Binair Decimaal Hexadecimaal

8 4 2 1

0 0 0 0

0 0 0 1 1 1

0 0 1 0 2 2

3 3

0 1 0 0

5 5

0 1 6 6

0 1 7 7

1 0 8 8

1 0 9 9

10 A

1 0 1 1

1 1 0 0 12 C

1

1 1 1 1 15 F

Project robots. 15

3.4 LEDs en codes

1. Hoeveel LEDs staan er op de formulla flowcode? En opwelke poort van de microcontroller worden dezeaangesloten?

2. Wat bedoelen we met de most significant LED en theleast significant LED?

3. Hoeveel pins hebben we nodig om alle rode leds aan te sluiten op de µC?

3.5 Jumpy

Wat is een sprong instructie? En waarvoor wordt deze gebruikt?

3.6 Variabele

1. Waarom gebruiken we een variabele waarde bij hetprogrammeren?

2. Waarop moet je letten bij een binaire vermenigvuldiger? Welk patroon verschijnt erop de LEDjes?

Project robots. 16

3.7 Looping the loop

Wat is het verschil tussen een eeuwige en eenvoorwaardelijke loop?

Als we een variabele X hebben gedeclareerd en we plaatsen een loop met instelling:Loop while X < 5 aan het begin van de loop, wat wil dit dan zeggen? En wat zal er nu gebeuren?

3.8 Running the light – The night rider

Wat gebeurd er met de ledjes strook, als we een loopmaken waarin we een variabele vermenigvuldigen met2 en deze variabele een uitgang geven naar de D-poortvan de processor? Waarom?

Wat moeten we doen om het tegenovergestelde te krijgen?

Hoe laten we deze twee bewerkingen nu steeds na elkaar gebeuren?

Project robots. 17

3.9 Ringtone mania

Wat is het verband tussen toon en frequentie?

Waarom is de delayknop in de flowchart icoontjesonvoldoende om voor alle tonen een frequentieloop te kunnengenereren? Geef ook een voorbeeld.

3.10 Input

Welke spanning moeten we aan de ingang van demicrocontroller leggen opdat deze een duidelijke 1 zoudetecteren?

Wat moet je doen zodat de microcontroller steeds eeningang kan blijven detecteren? Teken hieronder hier ookeen flowchart voor, voor input 4 van poort B.

Project robots. 18

3.11 If… Then… Else

Wat is het verschil tussen de “ouderwetse” IC en de modernere Microcontroller?

Verklaar de tittel van dit hoofdstuk en verduidelijk aan de hand van een afbeelding van eenbouwsteen uit de flowcharts.

Project robots. 19

3.12 Motor speed

Hoe werkt een DC motortje?

3.13 Electronic switch

Waarom hangen we onze motortjes van onze buggy nietrechtstreeks aan een pin van de microcontroller?

Leg de werking uit van een transistor aan de hand van onderstaande tekening:

Project robots. 20

Wat is het grote voordeel van de MOSFET t.o.v. de transistor? Leg uit aan de hand van detekening.

3.14 H- bridge

Verklaar waarom de invertors (niet poorten) in een H-brugkortsluitingen uitsluit. Leguit aan de hand van detekening.

Project robots. 21

Vul ofwel 1 ofwel 0 in op de zodat de draaizin van de motor klopt.

3.15 PWM Speed control

Vertaal Pulse Witdh Modulation en verklaar wat menhiermee bedoeld.

Als we een grote duty cycle naar de motor sturen, krijgt deze dan veel of weinig vermogen?Vergelijk deze met een kleine duty cycle en doe dit aan de hand van een diagramtekening.

Project robots. 22

3.16 Follow the line

Leg de werking van de lijnvolgsensor uit,verduidelijk met een schets:

3.17 Reaction sound

Hoe worden in een microfoon, geluidsgolven omgezet in elektrische golven?

Project robots. 23

3.18 Externe interupt

Vertaal interupt:

Vergelijk de voor- en nadelen van de interupt methode t.o.v.de polling methode.

3.19 VU meter

Wat is een VU meter?

Waarvoor worden VU meters gebruikt?

Project robots. 24

3.20 Follow the light

Wat is en LDR?

Wat is een A/D convertor en wat doet deze bij deze oefening?

3.21 IR distance sensors

Hoe komt het dat IR sensoren geen last hebbenvan kunstlicht?

Welk stappenplan moet je hanteren bij hetgebruik van IR afstands sensoren? En waaromdoen we dit zo?

Project robots. 25

3.22 LCD