Konspekt

Введение в робототехнику и электронику

1. Что такое робот? Первый в мире робот

Робот — это механическое интеллектуальное устройство, способное выполнять задачи самостоятельно или под управлением человека. Обычно это электромеханическая машина, управляемая компьютером

Первый промышленный робот, Unimate, начал работу в 1961 году на автомобильном заводе General Motors. Его задачей было охлаждение горячих деталей автомобиля в ванне после литья. Это уменьшило участие человека в опасных производственных процессах и ознаменовало начало новой эры автоматизации.

2. Три поколения развития роботов.

  • Первое поколение — роботы без датчиков, работающие только в неизменных условиях. Пример: простая роботизированная рука на заводе.
  • Второе поколение — роботы с датчиками, способные реагировать на изменения окружающей среды. Пример: посудомоечная машина, робот с сенсорами.
  • Третье поколение — роботы с возможностью анализа и обучения. Пример: гуманоидные роботы с искусственным интеллектом.
Humanoidrobot Nao

3. Почему манипуляторы не являются роботами?

Манипулятор — это устройство, управляемое человеком. В отличие от робота, он не способен к автономной работе и получает информацию об окружающем мире исключительно через органы чувств человека.

4. Преимущества машин по сравнению с человеческим трудом

  • Не устают и не теряют концентрацию
  • Работают в опасных или труднодоступных условиях
  • Повышают скорость и качество производства
  • Используются в развлекательной сфере и науке (например, исследование Марса)

5. Три условия, при которых устройство считается роботом?

  1. Датчик — воспринимает информацию из внешней среды
  2. Контроллер — обрабатывает информацию и управляет действиями
  3. Исполнитель — осуществляет движение или переключение

6. Где могут работать мехатроники в Эстонии?

  • Автоматизация и робототехника: Cleveron, Estonian Cell
  • Электроника и телеком: Telia, Ensto, Ericsson Eesti
  • Машиностроение: AS Norma, Konesko
  • Пищевая промышленность: Rakvere Lihakombinaat, Tallinna Piimatööstus
  • Энергетика: Eesti Energia, Sillamäe Keemiatööstus
  • Точное производство и НИОКР: Euronics, TalTech

Определения:

  • Робот — автоматическое устройство для выполнения механических операций.
  • Робототехника — наука и техника проектирования и управления роботами.
  • Манипулятор — управляемое человеком устройство для перемещения предметов.
  • Мехатроника — прикладная наука на стыке механики, электроники и информатики.
  • Датчик — устройство для измерения параметров и передачи их в виде сигнала.
  • Исполнитель — устройство, выполняющее действия (например, мотор, нагреватель).
  • Контроллер — «мозг» робота, управляющий его поведением.

Elekter. Põhikomponeendid

Elekter/Электричество

Гидравлическая система

Электрическая цепь

Принципиальные схемы

Чтобы изобразить на бумаге как должна выглядеть та или иная электрическая цепь
используют схемы. Схемы бывают разных видов со своими преимуществами и недостатками.
Ниже приведена одна и та же электрическая схема, изображённая по-разному, в четырёх
вариациях.

Рисованная схема

Красиво, но громоздко и непрактично:

Принципиальная схема

Компактно и наглядно:

  • То, что соединено линией, в реальности должно быть соединено проводником
  • То, что не соединено линией, в реальности должно быть электрически изолировано

Принципиальная схема без явного источника питания

Источник питания зачастую не рисуют в явном виде, а используют отдельные символы для
плюса и минуса. Такая схема ещё более компактна.

Принципиальная схема с отдельными контурами

Часто для удобства одну цепь на схемах разбивают на отдельные части. В сложных проектах
так добиваются наглядности и делят зоны ответственности между несколькими инженерами разработчиками.

Основные законы электричества

Закон Ома
Закон Ома — главный закон электричества

Мощность
Мощность — мера скорости трансформации электрической энергии в другую форму

Зная закон Ома, можно заметить, что мощность можно рассчитать иначе:

Мир не идеален и часть электроэнергии непременно трансформируется в тепло. Из-за этого и
греются компьютеры, телефоны, телевизоры и другая электроника

Короткое замыкание

Соединение плюса с минусом напрямую, по закону Ома, приводит к очень
большому току, следовательно, к очень большой мощности нагрева, что в
итоге приводит к возгоранию.
Это называется коротким замыканием или в просторечии просто «козой».
Никогда не допускайте его, ни при каких обстоятельствах!

Последовательное подключение

При последовательном подключении сила тока в каждом потребителе — одна и та же,
различается напряжение: в каждом компоненте падает его часть.

Параллельное подключение

При параллельном подключении напряжение вокруг каждого потребителя — одно и то же,
различается сила тока: каждый потребляет ток в соответствии с собственным
сопротивлением.

Микроконтроллер

Микроконтроллер — это миниатюрный компьютер, основной задачей которого является выполнение инструкций программы. В отличие от обычного ПК, в одном чипе микроконтроллера находятся также оперативная память (RAM), энергонезависимая память (EEPROM), память программ (Flash), контроллер прерываний и различные встроенные интерфейсы для обмена данными. Центральным элементом является процессор, аналогичный процессору в обычном компьютере. На рисунке 1 показана схема микроконтроллера. Все сокращения поясняются далее в тексте.

Упрощённая архитектура микроконтроллера

Память микроконтроллера

Микроконтроллер использует два основных типа памяти:

 Программная память (Flash)
Служит для хранения основной программы. Объём памяти влияет на сложность возможных программ.

  • ATtiny (8-бит): 0.5–8 кБ
  • ATmega: 4–256 кБ
  • 32-битные контроллеры: до 512 кБ

 Память данных (EEPROM)
Хранит данные даже после отключения питания (как мини-диск). Объём небольшой (например, у ATmega32 — 1024 байта), но можно подключить SD-карту для хранения больших объёмов.

Регистры

Регистры — это небольшие ячейки памяти с постоянным адресом и именем. Они управляют работой микроконтроллера: включают функции, задают направления выводов и считывают входные данные.

В 8-битных микроконтроллерах регистры обычно 8-битные, то есть состоят из 8 “переключателей”, каждый из которых отвечает за отдельную функцию.

Цифровые входы-выходы (Digital I/O)

Обычные входы-выходы микроконтроллера обмениваются цифровыми сигналами с внешними устройствами.

 Направление работы можно задать программно через специальный регистр:

  • 0 — пин работает как вход
  • 1 — пин работает как выход

 Через другой регистр:

  • если пин настроен как выход — можно записать 0 или 1
  • если как вход — можно считать 0 или 1

Значения:

  • 1 — на пине подано напряжение (логическая 1)
  • 0 — пин подключён к земле (логический 0)

Аналого-цифровой преобразователь (ADC)

Микроконтроллер работает только с цифровыми сигналами (0 и 1), но окружающий мир — аналоговый. Например, температура — это не просто “вкл/выкл”, а непрерывное значение.

Чтобы измерять такие величины, в микроконтроллер встроен аналогово-цифровой преобразователь (ADC). Он переводит аналоговый сигнал в цифровой, понятный для микроконтроллера.

 Пример:
10-битный АЦП делит диапазон напряжения на 1024 уровня — это и есть его точность.

 Важно: если нужно подключить несколько аналоговых датчиков, следует выбирать контроллер с нужным числом аналоговых входов.

Широтно-импульсная модуляция (PWM)

PWM (Pulse-width Modulation) — это способ управления цифровым сигналом, позволяющий имитировать аналоговое поведение.

Вместо постоянного сигнала, микроконтроллер быстро переключает пин между высоким (1) и низким (0) состоянием с определённой частотой.
Ключевое — это длительность включённого состояния (ширина импульса):

  • Чем дольше высокий уровень, тем выше среднее напряжение.
  • Если включено половину времени, среднее напряжение ≈ 50% от питания.

 Используется для регулировки яркости светодиодов, скорости моторов и т.п.
 При высокой частоте устройства воспринимают сигнал как аналоговый.

PWM — пример

Если мотору 5 В подать только половину времени (через ШИМ), он будет вращаться как при 2,5 В.
Микроконтроллер быстро включает и выключает питание — мотор из-за инерции вращается плавно на нужной скорости.

 В сервомоторах длительность сигнала управляет углом поворота.

Интерфейсы связи

Микроконтроллеры часто имеют:

  • USART — последовательная связь
  • SPI — быстрая синхронная
  • I²C (TWI) — для датчиков
  • CAN — в автоэлектронике
  • USB — современный стандарт

Составляющие платы Arduino Uno

Arduino on avatud lähtekoodiga mikrokontrollerplatvorm elektroonika prototüüpimiseks. Selle arendamist alustati 2005 aastal Itaalias ning on tänaseks saavutanud väga suure populaarsuse.

1. USB pistik (USB – Universal Serial Bus) port. USB pistiku abil saab Arduino arendusplaadile voolu anda ja programmikoodi laadida. Arduino kasutab USB B tüüpi pistikut./Разъем USB (USB Порт) – Может использоваться для питания схем, а также для связи с компьютером.

2. Voolupesa. Voolupessa saab ühendada voolujuhtme, millega Arduinole voolu anda. /Разъем Питания (от батареи) – Может использоваться с блоками питания 9 – 12 Вольт.

3. GND (GND – ground, eesti k maandus) pesad. Nende pesade kaudu käib vooluringi maandamine.

4. 5V (V – volt) pesa. 5V pesa kaudu saab arendusplaadi külge ühendatavaid lisakomponente varustada 5 voldise vooluga.

5. 3,3V pesa. 3,3V pesa kaudu saab arendusplaadi külge ühendatavaid lisakomponente varustada 3.3 voldise vooluga.

6. Analoogpesad (A0-A5) loevad signaali analoogsensoritest ja teisaldavad selle digitaalkujule, mida programm saab lugeda ja pärast signaali töötlemist digitaalpesa kaudu väljastada. Analoogpesa on võimalik vajadusel kasutada ka signaali väljastamiseks./Порты (Analog In, Power In, Ground, Power Out, Reset) – аналоговые, входящие, исходящие, питание и земля.

7. Digitaalsed pesad (D0-D13). Nende abil saab lugeda ja väljastada digitaalsignaali. 15
8. Pulsilaiusmodulatsiooni (Pulse-Width Modulation (PWM)) pesade abil saab simuleerida analoogväljundit./Порты (ARef, Ground, Digital, Rx, Tx) – опорное напряжение, земля, цифровые порты, порты приема и передачи данных.

9. AREF pesa abil saab vajadusel lisapesana lugeda kindla tugevusega analoogsisendit.

10. Lähtestamise nupp (Reset button) – Lähtestamise nupu vajutamisel taaskäivitatakse Arduino arendusplaadile laetud lähtekood. Kui programmi töö on katkenud saab nupu abil programmi taaskäivitada. Samuti on nupp mugav viis testimiseks, kui on tarvis koodi mitu korda jooksutada saab seda teha nupule vajutades. /(сброс) – ручной перезапуск платы Arduino, приводит к перезапуску вашей программы.

11. Toite LED (LED – Light-emitting Diode) tuli. Toite LED tuli läheb põlema, kui Arduino arendusplaat on ühendatud vooluvõrguga. Kui pärast vooluga ühendamist tuli ei lähe põlema, on oht, et arendusplaadiga on midagi valesti./Индикатор (Индикатор питания) – сигнализирует о подаче питания на плату Arduino.

12. TX (TX – Transmit) RX (RX – Receive) LED tuled – Nende LED tulede abil on aru saada, kui arendusplaat võtab andmeid vastu või saadab neid välja. Kui andmeid saadetakse, põleb TX LED tuli, kui andmeid vastu võetakse, põleb RX LED tuli./Индикатор (RX: Прием) – Используется для индикации приема данных, если конечно это прописано в программе. Индикатор (TX: Передача) – Используется для индикации передачи данных, если конечно это прописано в программе.

13. ATmega328P mikrokontroller, juhib Arduino Uno arendusplaadi tööd.
14. Pingeregulaator. Pingeregulaator reguleerib arendusplaadi vooluringi lastavat pinget. Kui pinge on liiga suur, muudab pingeregulaator selle plaadile sobivaks.

Основные компоненты Arduino

Selle külge saad ühendada erinevaid sisendeid. Näiteks termo-, valgus-, vibratsiooni-, heli- jt andurid. Edasi reageerib Arduino mikrokontroller vastavalt koodile ja käivitab mõne väljundseadme. Näiteks mõni mootor, valgusdiood, ekraan jne.

Входы (датчики):

  • Фоторезистор (Fototakisti) — измеряет уровень освещения
  • Температурный датчик (Temperatuuriandur) — измеряет температуру
  • Потенциометр (Potentsiomeeter) — регулируемое сопротивление (ручка)
  • Кнопка (Nupp) — простой цифровой вход
  • Вибро-, звукo-, светочувствительные датчики — реагируют на окружающую среду

Выходы (устройства управления):

  • Светодиод (LED) (Valgusdiood) — может загораться/мигать
  • Пищалка (Пьезо) (Piesosummer) — издаёт звук
  • Серводвигатель (Servomootor) — точное позиционирование
  • Обычный мотор (Mootor) — вращение
  • ЖК-дисплей (LCD) (Vedelkristallekraan) — для вывода текста и данных