Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение средняя школа № 8

«Автономная система «Эвер»

Работу выполнили:

Шереметова Евгения, ученица 8 класс,

Титова Анастасия, Ефимов Вадим,

Натыров Иван, ученики 6 класса

Руководители:

Коптелова Татьяна Анатольевна,

учитель высшей квалификационной категории,

Толкачева Наталья Сергеевна,

учитель I квалификационной категории

с.п. Новосмолинский, 2017

Оглавление

Введение. 3

Глава1. Описание базовой технологии. 5

Глава 2. Автономная система «Эвер». 8

Глава 3. Создание автономной системы «Эвер». 9

Заключение. 16

Список литературы.. 18

Приложение. 19

Введение

С каждым днём к нам приближается недалекое и так отчетливо видимое электронное будущее, которое принесет нам массу нововведений. Уже сегодня мы можем наблюдать за рождением новых, ярких идей. Одной из наиболее интересных, перспективных и массовых технологий является идея создания беспилотного автотранспорта. Думая о будущем, в котором по дорогам движутся автомобили без водителей, мы видим возможность полного искоренения дорожных аварий и решения транспортных проблем. В этом будущем мы сможем спасти миллионы жизней по всему миру, просто устранив возможность человеческой ошибки на дороге.

Согласно прогнозу, массовый переход на беспилотные автомобили ежегодно будет приносить мировой экономике более 500 миллиардов долларов. [6] Потенциальные преимущества технологий автономного вождения в буквальном смысле поражают воображение, однако, чтобы превратить мечты в реальность, необходимо полное объединение экспертных и технологических ресурсов.

Развитие беспилотного автотранспорта для общества должно быть приоритетной задачей для человечества. С каждым годом беспилотные роботы совершенствуются и «умнеют», но все же их искусственный интеллект не сравнится с человеческим.

Гипотеза: в век технического прогресса роботы занимают все больше и больше места в жизни человека, можно предположить, что в скором времени без них вообще нельзя будет обходиться, поэтому надо уметь их создавать, а главное – научиться ими управлять.

Цель: создать автономную систему «Эвер», работающую на основе полученных данных от сенсоров, с возможностью выполнять различные действия в зависимости от цвета преграды и расстояния до препятствия.

Задачи:

• разработка автономной системы «Эвер»;
• разработка системы сенсоров, для создания полной картины окружающей обстановки;
• создание системы вывода данных на внешний дисплей для информирования о предпринимаемых действиях;
• создание алгоритмов обработки данных, полученных от сенсоров;
• создание алгоритмов поведения модуля в зависимости от изменения внешних условия (цвет и расстояние до препятствия);
• изготовление автономной системы «Эвер»;
• оформление работы в электронном виде.
• отдел программного обеспечения – ответственная Шереметова Евгения, учащаяся 8 класса;
• технический отдел – Титова Анастасия, Натыров Иван, учащиеся 6 класса;
• отдел информационной поддержки – ответственный Ефимов Вадим, учащийся 6 класса.
• собрать и изучить литературу об автономных системах;
• написать программы, для создания автономной системы и выполнения ей определенных операций;
• собрать робота - автономную систему «Эвер»;
• сделать выводы;
• оформить работу в электронном виде
• потребительское (личное авто, такси, городская авто транспортная сеть);
• промышленное (специализированная техника);
• военное (боевые машины различного спектра задач).[5]
• исключит злоупотребление скоростью, как основной фактор риска дорожно-транспортного травматизма;
• исключит вождение в нетрезвом состоянии. Автомобиль не позволит человеку сесть за руль самому, если тот находится в нетрезвом виде;
• сократит объем и количество пробок в мегаполисах, тем самым поможет службам неотложной помощи двигаться быстрее и своевременно прибыть по вызову. Машины научаться общаться друг c другом.
• объезжать препятствия;
• останавливаться перед предметами;
• двигаться в составе колонны;
• двигаться по заданному маршруту.
• радар;
• видеокамера;
• системы геолокации GPS, Глонасс;
• лидар - активный оптический сенсор, испускающий лазерные лучи в сторону цели во время движения транспорта.
• Arduino Mega —открытая платформа;
• плата расширения Motor Shield;
• плата Troyka Shield;
• датчик линии аналоговый;
• ультразвуковой дальномер HC-SR04;
• матричные LED-индикаторы;
• набор соединительных проводов 20см;
• датчик оттенка цвета;
• -клавишный выключатель;
• -крепежные элементы.

Нашу команду по выполнению данного проекта мы условно назвали конструкторское бюро (КБ). Сначала мы набрасывали идеи для выполнения работы: как будет выглядеть наш робот, что он должен уметь делать, что необходимо для реализации этого. В результате мы распределили обязанности внутри нашего КБ:

Методы исследования: поисковый, практический, метод сравнения, анализ.

Ход исследования:

Структура работы представлена введением, тремя главами, заключением, списком литературы, приложением.

Глава1. Описание базовой технологии

В наше время развитие беспилотного автотранспорта разделилось на три основных направления:

В данный момент развитие беспилотного транспорта идет по всем перечисленным направлениям.

Создание беспилотного автотранспорта в потребительской сфере:

На данный момент времени уже создано несколько прототипов-моделей беспилотного авто, заслуживающих особого внимания.

Беспилотный автомобиль Google - это проект компании Google, который включает в себя разработку технологии, позволяющей сделать полностью автономный автомобиль. Программное обеспечение, которое Google использует для автоматизации своего автомобиля известно под названием «Google Chauffeur». Компания не стала делать собственный автомобиль, а, сосредоточившись на основной задаче, установила необходимое оборудование на обычные автомобили, выпускающиеся массово.

На крыше концепт Google – вращающийся лидар, создает трехмерную картину окружающего мира. На бампере устройства – радары, дают представление о расстоянии до объектов. Видеокамеры в решетке радиатора, и внутри автомобиля.

Еще один пример - рабочий вариант Tesla. На основе полученных данных автомобиль принимает решение о движении и помогает водителю в предотвращении аварийных ситуация. Общий принцип получения данных о местоположении – использование радара, лидара, видеокамер и геолокации.

Вторым по приоритету должно стоять развитие промышленного беспилотного автотранспорта.

Рассмотрим основные идеи и стремления этого направления на конкретных примерах:

БелАЗ - беспилотный многотонный карьерный самосвал, который без водителя сможет передвигаться по заданному маршруту. Условия, в которых постоянно работают подобные машины, можно назвать экстремальными: им приходится передвигаться в условиях густого тумана, при большой плотности пыли, высоком уровне загазованности окружающего воздуха.

Автоматизацией управления тяжелыми машинами занимаются многие производители. Известно, что опытные образцы испытывают компании Komatsu и Caterpillar.

Беспилотный проект КамАЗ.

Прототип разрабатывается на базе обычного грузовика КамАЗ. От стандартной модификации модель отличается дополнительным оборудованием, благодаря которому грузовик может передвигаться без участия водителя.

Основной функционал:

Машина оснащена различными устройствами, необходимыми для ориентации в пространстве:

Оснащение машины только видеокамерами не обеспечивает требуемой точности и надёжности. Например, для точной оценки расстояния до других участников движения и их скорости необходим именно радиолокационный канал получения информации.

Лидар сканирует область вокруг автомобиля на расстоянии более 60 м и создает точную трехмерную картину его окружения. Радары помогают определить точное положение удаленных объектов.

Радары установлены с каждой стороны машины по две штуки и под углом, обеспечивая панорамный вид.

Видеокамера располагается на лобовом стекле за зеркалом заднего вида. Система геолокации фиксирует движение автомобиля и помогает определить его точное местоположение на карте. Она определяет сигналы светофора и позволяет блоку управления распознавать движущиеся объекты, в том числе пешеходов и велосипедистов.

Третьим в приоритете развития беспилотного автотранспорта является военное направление.

Основной целью, со слов военных, является уменьшение количества человеческих жертв во время конфликтов, увеличение обороноспособности государства. Технологии военных всегда обладают наибольшим потенциалом в развитии, благодаря инвестициям и поддержке государства.

Глава 2. Автономная система «Эвер»

Система «Эвер» - автономная система, работающая на основе полученных данных от сенсоров, с возможностью выполнять различные действия в зависимости от цвета и расстояния до препятствия. Система должна иметь возможность вывода информации о полученных данных и принятых на их основе решений.

Для создания данной системы мы использовали следующее оборудование:

-набор деталей для сборки робота;

Глава 3. Создание автономной системы «Эвер»

Технический отдел:

Мы собрали корпус машины, следуя инструкции, вложенной в набор деталей для сборки робота. [2] Двигатели подключали с помощью платформы Motor Shield, которая позволяет подключить до 4 двигателей постоянного тока. Важным моментом является правильное подключение двигателей к питанию: двигатели левого борта присоединили к одной клемме, а правого – к другой, т.к. Motor Shield двухканальный.

Сверху, на корпус машины, мы прикрепили платформу Arduino Mega (открытая платформа на базе микроконтроллера), Motor Shield (платформа, к которой мы подключали двигатели) и Troyka Shield (платформа, дублирующая все пины и порты Arduino). Все платформы крепятся друг на друга. Ультразвуковой дальномер, датчики линии аналоговые [1], матричные LED-индикаторы, датчик оттенка цвета мы подключали проводами непосредственно к Troyka Shield. [3]

В состав набора для сборки системы «Эвер» входят:

-платформа (основание, крышка) – 1 шт.

-мотор-редукторы с колесами -2шт.

-заднее колесо -1шт.

-батарейный отсек для 4-х элементов питания АА -1шт.

-крепёжные элементы.

Платформа – два ведущих колеса и шаровая опора, для обеспечения лучшей управляемости. Платформа должна обеспечивать защиту сенсоров и платы управления от столкновений. Из органического стекла нами были созданы передний и задний бамперы, отсеки для аккумуляторов.

Сердце Arduino: компьютер размером с ладонь на базе процессора с частотой 16 МГц и памятью 256 кБ. Arduino Mega —открытая платформа, выполнена на базе более продвинутого чипа ATmega2560, имеет больше контактов и большее количество аппаратных serial-портов для взаимодействия с компьютером и другими устройствами. Платформа выполнена таким образом, чтобы быть максимально совместимой со своими младшими собратьями и модулями расширения (shields). Левая часть платы по конфигурации контактов идентична Arduino Uno, как по расположению, так и по назначению. Это означает, что Arduino Mega 2560 может заменять Arduino Uno, если возможностей последней не хватает.

Если подключить мотор-редукторы к Arduino напрямую, то это может вывести микроконтроллер из строя, так как выводы Arduino являются слаботочными, поэтому необходимо использовать плату расширения Motor Shield - так называемый H-мост. Он позволяет управлять скоростью и направлением вращения мотора с помощью логических сигналов микроконтроллера. Выходы под каждый из двигателей выполнены в виде клеммника с винтом, поэтому пайка не требуется.

Плата расширения Troyka Shield применяется для удобного подключения большого количества периферии. Использование такой платы позволяет не прибегать к пайке или отдельной макетной плате.

Для подключения ультразвукового дальномера мы использовали дальномер модели HC-SR04. В модели HC-SR04 есть 4 контакта, которые мы и будем использовать для подключения к Arduino Mega.

-VCC подключим к +5V на Arduino;

-Trig к цифровому пину 8 на Arduino;

-Echo к цифровому пину 9 на Arduino;

-GND к GND на Arduino. [1]

Ультразвуковой дальномер определяет расстояние до объектов точно так же, как это делают дельфины или летучие мыши. Он генерирует звуковые импульсы на частоте 40 кГц и слушает эхо. По времени распространения звуковой волны туда и обратно можно однозначно определить расстояние до объекта.

В отличие от инфракрасных дальномеров, на показания ультразвукового дальномера не влияют засветки от солнца или цвет объекта. Но могут возникнуть трудности с определением расстояния до пушистых или очень тонких предметов.

Датчик линии идеально подходит для установки на днище мобильной платформы, чтобы заставить робота не выезжать за пределы территории обозначенной контуром, или чтобы он следовал за нарисованной линией.

Сенсор способен не только отличать чёрную поверхность от белой, но и в отличии от цифрового датчика линии, он способен различать оттенки серого. Это даёт нам возможность точно контролировать процесс перехода границы от чёрного к белому и наоборот. Датчик подключается к управляющей электронике через 3 провода.

Сенсор оттенка цвета, выполненный на базе датчика TCS3200, позволяет распознать оттенок цвета объекта, расположенного перед ним.

Для подсветки объектов на плате расположены 4 белых светодиода. Сам TCS3200 состоит из массива фотоэлементов с фильтром, реагирующим на цвета: «бесцветный», красный, зелёный и синий. Это позволяет определять любой цвет видимого спектра. Элементы распределены равномерно, что защищает от погрешностей, связанных с их положением.

Датчик переводит интенсивность света, проходящего через фильтр заданного цвета, в цифровой сигнал.

Плата сенсора подключается через 10 штырьковых контактов, впаянных по краям.

Матричные LED-индикаторы (аббревиатура LED означает «светодиод») — устройство отображения и передачи визуальной информации, в котором каждой точкой, пикселем является один или несколько полупроводниковых светодиодов. Он является интересным вариантом построения разнообразных дисплейных модулей, главным его достоинством можно считать возможность отображения графической информации и нестандартных символов.

В процессе работы над системой мы столкнулись с рядом проблем, которые приходилось решать с помощью подручных средств. Выяснилось, что датчики линий и цвета, а также LTD-панель, если не будут иметь защиту от удара, то очень быстро выйдут из рабочего состояния.

Мы решили остановиться на органическом стекле, так как оно имеет ряд преимуществ:

-высокая светопропускаемость;

-сопротивляемость удару в 5 раз больше, чем у стекла;

-при одинаковой толщине оргстекло весит почти в 2,5 раза меньше, чем стекло, поэтому конструкция не требует дополнительных опор, что создаёт иллюзию открытого пространства;

-экологически чистое;

-возможность придавать разнообразные формы при помощи термоформования;

-электроизоляционные свойства;

-подлежит утилизации.

Отдел программного обеспечения:

Прежде, чем начать написание программы для системы «Эвер», мы составили блок-схему, для более наглядно представления.

Dist_cm

После сборки машины, установки платформ и подключения ультразвукового дальномера, двигателей и датчиков линии, матричных LED-индикаторов, мы загрузили через USB-кабель на Arduino Mega с компьютера скетч, созданный в специальной программе.

Программирование осуществлялось на достаточно сложном языке Arduino (sketch). Сама программа писалась на компьютере в специальной программе Arduino.

Наш первый sketch на движение системы вперед:

Итак, в ходе нашей работы из груды деталей мы собрали мобильную автономную систему «Эвер», которая действует по заданному алгоритму, а именно движется по черной линии с помощью аналоговых датчиков линии, сканируя пространство перед собой ультразвуковым дальномером. Если система «Эвер» находит препятствия, то она с помощью сенсора оттенка цвета считывает показания. Если препятствие имеет красный цвет, то система останавливается и выводит на LED-панель слово «Стоп», если препятствие зеленого цвета – выводит слово «Поворот» и поворачивает на 90 градусов. Если препятствие синего цвета – выводит слово «Разворот» и разворачивается.

Отдел информационного обеспечения:

В ходе выполнения проекта мы оформили работу по требованиям, предъявляемым к проекту: единый шрифт, размер, отступы, интервалы, границы страниц.

Для визуализации работы мы создали презентацию в MS PowerPoint и сняли видео ролик о нашей работе.

Заключение

Итак, представим себе недалекое будущее: закончив работу, подходите к автомобилю, нажимаете кнопку управления и, сообщив адрес пункта назначения, вы абсолютно свободны, можете заниматься своими делами. Заманчиво, не правда ли? Особенно если предстоит пробираться с черепашьей скоростью по вечерним пробкам.

Вполне вероятно, что уже через несколько десятилетий самостоятельное управление собственным автомобилем станет анахронизмом. Конечно, останутся спортивные машины, лишенные "сверхумных" систем стабилизации и способные подарить удовольствие от вождения. Но они, скорее, будут играть ту же роль, которая сейчас отводится парусным судам или лошадям, а массовым средством передвижения станут машины-роботы.

Впереди много тяжелой работы. Нас ожидает переход на новый уровень "искусственного интеллекта", чтобы решить одну из трудностей реализации беспилотного автотранспорта. Компьютер способен в нужное время сформировать и передать правильные команды только при условии, что это предусмотрено алгоритмом заложенной в него программы и подкреплено необходимым количеством входящей информации. Таким образом, развитее беспилотного автотранспорта поможет уменьшить те страшные цифры жертв погибших и получивших травмы в автокатастрофах.

Но необходимо помнить, что даже небольшая ошибка в алгоритме, а также искажение или недостаток данных неизбежно приведут к потере контроля над ситуацией. Так что "научить" даже очень мощный компьютер самостоятельно управлять автомобилем на практике оказывается значительно сложнее, чем подготовить сотни высококвалифицированных водителей.

Итогом нашей работы стала автономная система «Эвер». В ней мы исследовали модель технологии работы беспилотного робота. «Эвер» действует по заданному алгоритму: сканирует пространство перед собой ультразвуковым дальномером, исследует цвет препятствия с помощью датчика цвета, выводит информацию на LED-панель и выполняет различные действия в зависимости от цвета преграды и расстояния до препятствия. Многие ищут новые способы автоматизации процессов передачи и получения информации. Мы считаем, что наша модель является актуальной сегодня - мобильный робот, способный обрабатывать, выводить на экран нужные пользователю данные и совершать действия. Это первый в нашей жизни робот, сделанный своими руками.

В будущем мы планируем стать инженерами, поэтому навыки, полученные в ходе выполнения проекта, нам обязательно пригодятся. Цели, поставленные в ходе работы, выполнены, задачи решены. Считаем, что наше конструкторское бюро с поставленными задачами справилось.

Список литературы:

• http://wiki.amperka.ru/робототехника:робот-с-датчиками-линии-на-arduino
• http://electronics-lab.ru/blog/digital/4018.html- робот на базе Arduino
• http://robotics.com.ua/build_robot/medium_robots -робо-автомобиль под Arduino с управлением с помощью Android устройств. Пошаговая инструкция по созданию
• https://www.google.ru/search?q=%D0%BA%D0%B0%D1%80%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%BA%D0%B8+arduino&newwindow=1&client=opera&hs=ahW&channel=suggest&prmd=ivns&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwjIlbb3zdvJAhXDlCwKHYcwBaEQsAQIEw
• В. В. Мацкевич «Занимательная анатомия роботов» – М., 2010
• И. М. Макаров, Ю. И. Топчеев «Робототехника: История и перспективы», 2013

Приложение

Приложение 1

Arduino Mega - это платформа для моделирования на основе микроконтроллера

Приложение 2

• Сборка Платформа motor shield
• Платформа troika

Приложение 3

Датчики линии

Приложение 4

Ультразвуковой дальномер

Приложение 5

Схема подключения моторов

Приложение 6

Автономная система «Эвер»