מחבר: מוטי מאיר, גדי הרמן ושאול זרצקי

שנת ההוצאה: תשס"ח - 2008

מילות מפתח: רובוטיקה; רובוטים

חלקו הראשון של ספר ניסויים זה מממש גישה המבוססת על תהליך לימודי של "מערכת צומחת" כדי להקנות ללומדים את ההבנה והמיומנויות הנדרשות כדי לתכנן, לבנות ולהפעיל רובוט נייד.
בתחילה מתנסים התלמידים בהפעלה ובתכנות של המיקרובקר שסביבו נבנת המערכת. לאחר מכן, מתנסים התלמידים בהפעלת חיישנים, מנועים ומתמרים שונים, באופן חיבורם אל המיקרובקר ובכתיבת תכניות מתאימות להפעלתם. בהמשך הלימוד, מוסיפים התלמידים מתמרים אל הרובוט הנבנה ומפעילים את המערכת הרובוטית באמצעותם. הניסויים האחרונים, מאפשרים לתלמיד לנווט את הרובוט באמצעות הפעלתם, בו בזמן, של מספר מתמרים. חלקו השני של ספר הניסויים עוסק בראייה ממוחשבת ומאפשר, על-ידי חיבורה של מצלמת רשת כלשהי ( Web cam ), לצלם תמונות ממוחשבות שניתן לבצע בהן מניפולציות שונות ובהמשך לקבל באמצעותן מידע משמעותי. אל הספר

נושא/נושאים: , הנדסת חשמל בקרת אנרגיה

תוכן הספר:

• מבוא לרובוטיקה ניסויים

• תוכן העניינים

• מבוא

• ניסויים ברובוטיקה

• ניסוי 1 תוכנות המהדר והצריבה של המיקרובקר

• איור ‭1.1‬ חיבור של שמונה נוריות דפ"א לפִ תחה 1 של כרטיס המיקרובקר באמצעות חוצץ

• איור ‭1.2‬ החלון ctוProj בתוכנת דRID

• איור ‭1.3‬ פתיחת רשימת המעבדים

• איור ‭1.4‬ בחירת המעבד

• איור ‭1.5‬ בחירת סוג החיבור של המיקרובקר למחשב

• איור ‭1.6‬ פתיחת ערוץ תקשורת SBר

• איור ‭1.7‬ הוראה לביצוע הצריבה

• איור ‭1.8‬ הרצת תכנית

• איור ‭1.9‬ הצלמיות לביצוע שמירה, הידור וקישור

• ניסוי 2 כתיבה והרצה של תכניות קלט/פלט בסיסיות

• איור ‭2.1‬ חיבור מפסקים לפִ תחת הקלט של המיקרובקר

• איור ‭2.2‬ סימון הקובץ mבFirstProgr

• טבלה ‭2.1‬ מצב המפסקים והפעולות הנדרשות

• ניסוי 3 מתמר אור וחיבורו למיקרובקר

• איור ‭3.1‬ חיישן אור מסוג LDR

• איור ‭3.2‬ סרטוט סכמתי של מעגל עם מתמר המגיב לחישה של עוצמת ההארה

• איור ‭3.3‬ מעגל לחישת אור שבמוצאו מתקבל אות ספרתי

• טבלה ‭3.1‬ עוצמת ההארה בארבעה מצבי תאורה שונים

• איור ‭3.4‬ הפקת אות ספרתי במעגל משופר לחישת אור

• טבלה ‭3.2‬ מדידת ההתנגדות של ה‭LDR-‬

• טבלה ‭3.3‬ מדידת המתח במוצא של מעגל החיישן של מתמר אור עם מהפך

• טבלה ‭3.4‬ מדידת מתחים במעגל של מתמר אור עם משווה

• ניסוי 4 הכרת מנגנון הפסיקות במיקרובקר והפעלתו

• טבלה‭4.1‬ סוגי הפסיקות שנשתמש בהן בניסוי

• טבלה ‭4.2‬ מבנה האוגר המיוחד NקדT

• איור ‭4.1‬ אוגר 0דI

• איור ‭4.2‬ תרשים החיבור של מעגל הניסוי

• ניסוי 5 מונים וקוצבי זמן

• טבלה ‭5.1‬ מבנה המונים ‭T0‬ ו‭T1-‬

• טבלה ‭5.2‬ אופן הפעולה של המונים, בהתאם למצב הסיביות באוגר DקTM

• טבלה ‭5.3‬ אופני העבודה של המונים בהתאם למצב הסיביות קM ו‭M1-‬

• טבלה ‭5.4‬ בקרת הפעולה של המונים ‭T0‬ ו‭T1-‬ באמצעות האוגר NקדT

• איור ‭5.1‬ תיאור סכמתי של המונה ‭T0‬ ושל אופן ההשפעה של מצב סיביות האוגר NקדT על פעולתו

• טבלה ‭5.5‬ הגדרת DקTM כקוצב זמן

• ניסוי 6 יצירת הבסיס לרובוט והרכבת אביזרים לבסיס

• איור ‭6.1‬ בסיס הרובוט עם הגלגלים והמנועים המותקנים עליו

• איור ‭6.2‬ סרטוט מוקטן של בסיס הרובוט

• איור ‭6.3‬ ניסור הבסיס מתוך לוח העץ הלבוד

• איור ‭6.4‬ הסימונים שיש לסרטט על-גבי בסיס הרובוט

• איור ‭6.5‬ תושבת מנוע

• איור ‭6.6‬ מיקום תושבות המנוע - מבט על

• איור ‭6.7‬ אופן החיבור של הברגים של תושבות המנוע לבסיס הרובוט – מבט מן הצד

• איור ‭6.8‬ סוגים שונים של גלגלים אחוריים שמתאימים לחיבור לבסיס הרובוט

• איור ‭6.9‬ גלגל אחורי עם האביזרים שבאמצעותם יש לחבר אותו לבסיס הרובוט

• איור ‭6.10‬ הגלגל האחורי לאחר חיבורו לבסיס הרובוט

• איור ‭6.11‬ ציפוי בבדיל של אחד הקצוות של מוליך

• איור ‭6.12‬ הלחמת המוליכים להדקי המנועים

• איור ‭6.13‬ מחברי מולקס לזוג מוליכים

• איור ‭6.14‬ "סופית" של מחבר מולקס

• איור ‭6.15‬ חיבור "סופית" למוליך

• איור ‭6.16‬ מחבר מולקס נקבה עם "סופיות"

• איור ‭6.17‬ אופן חיבור המנוע לתושבת

• איור ‭6.18‬ חיבור גלגל לציר המנוע באמצעות בורג אלן

• איור ‭6.19‬ חבק לחיבור המצבר לבסיס הרובוט

• איור ‭6.20‬ אופן החיבור של המצבר לבסיס הרובוט

• איור ‭6.21‬ מחברי מולקס כפולים מסוג זכר מותקנים על גבי כרטיס המיקרו-מעבד

• ניסוי 7 בדיקת המנועים והנעת הרובוט באמצעותם

• איור ‭7.1‬ סכמה חשמלית של מנוע

• איור ‭7.2‬ גרף של מהירות הסיבוב של המנוע כפונקציה של המומנט

• איור ‭7.3‬ מנוע ולצדו תמסורת גלגלי שיניים ‭r)‬בו‭(g‬

• איור ‭7.4‬ א. מנוע זעיר ב. גרף המהירות של המנוע כפונקציה של המומנט שלו

• איור ‭7.5‬ א. מנוע זעיר עם תמסורת ב. גרף המהירות של המנוע עם התמסורת כפונקציה של המומנט שלו

• איור ‭7.6‬ חתך של מנוע עם רוטור הבנוי משלושה סלילים

• איור ‭7.7‬ קצות הליפופים של הרוטור מחוברים אל הצובר, שאליו מהודקות המברשות

• איור ‭7.8‬ מתח הרוטור במנוע עם שלושה סלילים מלופפים

• איור ‭7.9‬ מעגל עקרוני למדידת מהירות הסיבוב של המנוע

• איור ‭7.10‬ מעגלי מיתוג אפשריים של מנוע לזרם ישר: א. מיתוג מכני ב. מיתוג אלקטרוני

• איור ‭7.11‬ מעגל הגנה מפני היווצרות מתח יתר בין ההדקים של סליל המנוע

• איור ‭7.12‬ מבנה אופייני של גשר H

• טבלה ‭7.1‬ מצבי הפעולה של גשר H

• איור ‭7.13‬ מעגל למדידת מהירות הסיבוב של המנוע

• איור ‭7.14‬ אופן החיבור של הגלגל למנוע ואופן החיבור של המנוע לקצה השולחן

• איור ‭7.15‬ מעגל הניסוי

• איור ‭7.16‬ אופן החיבור של בקר המנוע למיקרובקר

• איור ‭7.17‬ חיווט מנוע למיקרובקר באמצעות בקר מנועים

• טבלה ‭7.2‬ האותות הדרושים להפעלת הבקר

• טבלה ‭7.3‬ מילת הבקרה לסיבוב המנוע ימינה

• איור ‭7.18‬ תרשים של מעגל שבו מחוברים שני מנועים למיקרובקר

• איור ‭7.19‬ חיבור שני המנועים למיקרובקר עם רכיב חוצץ

• ניסוי 8 ספק ממותג למתח של 5V

• איור ‭8.1‬ שני סוגי הסלילים השימושיים בספק ממותג להספק נמוך

• איור ‭8.2‬ מעגל עם עומס התנגדותי המחובר לסוללה דרך מפסק טורי

• איור ‭8.3‬ המתח על העומס בתלות במצב המפסק 1רS

• איור ‭8.4‬ מעגל של ספק ממותג

• איור ‭8.5‬ מעגל של ספק ממותג ‭5V/0.5A‬

• ניסוי 9 ויסות מהירות הסיבוב של מנוע זרם ישר

• איור ‭9.1‬ אות של גל ריבועי במשרעת של ‭12 V‬

• איור ‭9.2‬ אות ריבועי והמתח הממוצע שלו

• איור ‭9.3‬ אות ריבועי לשאלה ‭9.1‬

• איור ‭9.4‬ האות הריבועי שנוצר כאשר מפעילים את התכנית

• ניסוי 10 הפעלת מנוע לז"י באמצעות מחולל PWM מובנה במיקרובקר

• איור ‭10.1‬ חמישה ערוצי PWM

• איור ‭10.2‬ המיקומים של חמשת ערוצי ה‭PWM-‬ בפִ תחה ‭p1‬

• איור ‭10.3‬ שמונה הסיביות של האוגר המיוחד CCON

• איור ‭10.4‬ שמונה הסיביות של האוגר CCAPMn

• איור ‭10.5‬ המעגל המחבר את הפִ תחה ‭P1‬ לאחד מן המנועים במערכת – מעגל הניסוי

• איור ‭10.6‬ תרשים עקרוני של אופן הפעולה של ערוץ PWM

• איור ‭10.7‬ גרף של גל ריבועי במוצא ערוץ PWM

• איור ‭10.8‬ מעגל חשמלי לחיבור שני מנועים אל המיקרובקר

• איור ‭10.9‬ חיבור שני המנועים לפִ תחה 1

• איור ‭10.10‬ צורת האות של המתח בהדק ‭P1–4‬

• איור ‭10.11‬ צורת האות של המתח בהדק ‭P1–4‬ לאחר ההיפוך של כיוון הסיבוב של המנוע

• טבלה ‭10.1‬ דרישות מהתכנית לשאלה ‭10.7‬

• ניסוי 11 גלאי פס - בנייה ומדידות

• איור ‭11.1‬ תרשים מלבנים של גלאי פס

• איור ‭11.2‬ תחומי אורכי הגל של אור

• איור ‭11.3‬ החזרת אור ממשטח חלק

• איור ‭11.4‬ החזרת אור לבן ממשטח לבן חלק

• איור ‭11.5‬ החזרה אור אדום ממשטח אדום חלק

• איור ‭11.6‬ מעגל של צמד אופטי IR

• איור ‭11.7‬ עקום ההיענות היחסית, באחוזים, של פוטו-טרנזיסטור IR

• איור ‭11.8‬ גרף של התלות של זרם הקולט במרחק בין הצמד האופטי ובין פס

• איור ‭11.9‬ צמד אופטי מסחרי

• איור ‭11.10‬ התלות של הזרם בקולט האופטי במרחק )במילי אינץ‭)'‬ בינו ובין המשטח המחזיר

• איור ‭11.11‬ המעגל החשמלי של המשווה ושל הצמד האופטי המורכב מרכיבים בדידים

• איור ‭11.12‬ משטח שצבעו משתנה בהדרגה משחור ללבן

• איור ‭11.13‬ המעגל האופטי של גלאי

• טבלה ‭11.1‬ מתח ‭VC‬ בתלות במרחק ובעוצמת ההארה

• ניסוי 12 כתיבת תכניות לתנועה באמצעות גלאי פס

• איור ‭12.1‬ מיקום הגלאים האופטיים על בסיס הרובוט

• איור ‭12.2‬ תרשים סכמתי של מעגל חשמלי עם שני גלאים של פס המחוברים למיקרובקר

• איור ‭12.3‬ גיליון בריסטול לבן ועליו מודבק פס של סרט בידוד שחור

• איור ‭12.4‬ דוגמה למסילה מפותלת סגורה

• ניסוי 13 מדידת מרחק באמצעות מתמר אופטי (IR) ייעודי

• איור ‭13.1‬ המתמר ‭GP2D12‬

• איור ‭13.2‬ הדגמה של עקרון הפעולה של המתמר באמצעות החזרת אור משני עצמים במרחקים שונים

• איור ‭13.3‬ גרף של האופיין של מתח המוצא של המתמר כפונקציה של המרחק בינו ובין העצם המחזיר

• איור ‭13.4‬ חיישני מרחק לזיהוי המרחק בין פגושי הרובוט ובין עצם כלשהו

• איור ‭13.5‬ החזרה ממשטח עם פסים אנכיים

• איור ‭13.6‬ חיבור המתמר למיקרובקר באמצעות ממיר מתקבילי לספרתי

• איור ‭13.7‬ מעגל המתמר

• טבלה ‭13.1‬ תוצאות מדידת המרחק

• ניסוי 14 מדידת מרחק באמצעות מתמר על-קולי (אולטרה סוני)

• איור ‭14.1‬ מעגל עקרוני של מערכת למדידת המהירות של גל קול

• איור ‭14.2‬ מעגל מעשי למדידת המהירות של גל קול

• איור ‭14.3‬ צורות הגלים המתקבלות בנקודות שונות במעגל שבאיור ‭14.2‬

• איור ‭14.4‬ רובוט נע לעבר מכשול

• איור ‭14.5‬ מתמר מרחק ‭SRF04 )US(‬

• איור ‭14.6‬ מעגל מודפס של מתמר מרחק ‭SRF04 )US(‬

• איור ‭14.7‬ צורות הגלים שיוצרים האותות בכרטיס ‭SRF04‬

• איור ‭14.8‬ מנגנון להפעלה או הפסקה של המנייה במונה ‭T1‬

• ניסוי 15 מצפן אלקטרוני

• איור ‭15.1‬ הכרטיס ‭CMPS 03‬ והדקיו

• איור ‭15.2‬ תרשים מלבנים של כרטיס מצפן מגנטי ‭CMPS03‬

• איור ‭15.3‬ תרשים מלבנים של מצפן מגנטי אנלוגי

• איור ‭15.4‬ב גשר נגדים הרגישים לעוצמת השדה המגנטי

• איור ‭15.4‬א מבנה האריזה של החיישן המגנטי

• איור ‭15.5‬ גרף של מתח המוצא ‭)VO(‬ כפונקציה של עוצמת השדה המגנטי ומגמתו

• איור ‭15.6‬ המבנה של החיישן המגנטי ‭KMZ51‬

• איור ‭15.7‬ חיבור מגבר לחיישן המגנטי ‭KMZ51‬

• איור ‭15.8‬ מעגל לביטול ההפרעות שדות מגנטיים חיצוניים כאשר בקר הכרטיס מופסק

• איור ‭15.9‬ מעגל לעיבוד מידע תקבילי במצפן מגנטי תקבילי

• איור ‭15.10‬ שמונה הגזרות של כיווני המצפן

• ניסוי 16 ניווט רובוט באמצעות מצפן אלקטרוני

• איור ‭16.1‬ תצלום של הכרטיס ‭MPS 03‬ והדקיו

• איור ‭16.2‬ כיול הכרטיס לכיוון צפון

• איור ‭16.3‬ מנגנון חסימת הפסיקה ‭INT0‬

• טבלה ‭16.1‬ תוצאות המדידות של רוחב הדופק בזוויות שונות

• ניסוי 17 בקרה על מהירות הסיבוב של מנוע באמצעות מקודד ספרתי

• איור ‭17.1‬ מקודד המותקן על הציר האחורי של מנוע הרובוט

• איור ‭17.2‬ המעגל החשמלי והמבנה הפיזי של מצמד אופטי

• איור ‭17.3‬ חיבור נוריות החיווי למערכת

• איור ‭17.4‬ חיווט המוצאים של המצמדים האופטיים למיקרו-בקר

• איור ‭17.5‬ תנועה לאורך קו מִ תאר בצורת ריבוע

• ניסוי 18 הוספת מתמרים לרובוט וניווט הרובוט באמצעותם

• איור ‭18.1‬ חיבור מתמר תקבילי לרובוט באמצעות מבואות המרבב 4051

• איור ‭18.2‬ לחצנים זעירים מסוגים שונים.

• איור ‭18.3‬ חיבור לחצנים למיקרובקר באמצעות רכיב חוצצים

• איור ‭18.4‬ ההדקים והמבנה הסכמתי של הרכיב 8254

• טבלה ‭18.1‬ מבנה של מילת בקרה

• טבלה ‭18.3‬ קביעת מצבי קריאה / כתיבה שונים

• טבלה ‭18.2‬ אופן קביעת אופני הפעולה של המונים

• טבלה ‭18.4‬ קביעת המונה אליו נשלחת מילת הבקרה

• איור ‭18.5‬ מעגל לחיבור של שני מנועים באמצעות ה‭8254-‬ ורכיבים נוספים

• איור ‭18.6‬ משטח לביצוע שאלה ‭18.1‬

• ניסויים בראייה ממוחשבת

• ניסוי 1 קריאת קובץ תמונה

• איור ‭1.1‬ תרשים מלבנים עקרוני של מצלמה הקולטת אור ומשדרת אותו למחשב כמערך דו-ממדי של מספרים

• איור ‭1.2‬ המרה של תמונה אופטית לתמונה אלקטרונית

• טבלה ‭1.1‬ מפת הסיביות של קובץ ‭24 BMP‬ סיביות

• איור ‭1.3‬ חלק מתיבת הדו-שיח של "סייר החלונות" שמראה שקובץ התמונה ‭MyPic.bmp‬ ממוקם באותה תיקייה שבה ממוקמים קובצי הפרויקט המזמן את הקובץ

• איור ‭1.4‬ חלק מתיבת הדו-שיח של "שמירה בשם" המראה שקובץ התמונה ‭MyPic.bmp‬ נשמר כקובץ מפת סיביות ‭24 )Bitmap(‬ סיביות.

• איור ‭1.5‬ חלון הבחירה ‭File ?> New‬ בסביבת העבודה ‭Microsoft Visual C++ 6.0‬

• איור ‭1.6‬ השוואה בין התמונה המקורית בצייר ובין התמונה המשוחזרת בחלון ה‭Console-‬

• טבלה ‭1.2‬ סימנים שונים לרמות בהירות שונות

• ניסוי 2 עיבוד ראשוני של תמונה

• איור ‭2.1‬ השוואה בין תמונה דגומה ובין תצוגה של תמונה בינארית

• איור ‭2.2‬ חלון התוכנה ‭,Quick Capture‬ המסופקת על-ידי היצרן של מצלמת האינטרנט. בחלון מוצגת דגימת תמונה ברמה של 160 על 120 פיקסלים של עצם המונח על משטח לבן

• איור ‭2.3‬ תיבת הדו-שיח ‭"Save As"‬ של התוכנה ללכידת תמונה, ובה חלון הבחירה לשמירת התמונה בתקן ‭BMP)24 bit(‬

• איור ‭2.4‬ שחזור התמונה המקורית בחלון ה‭,Console-‬ אחרי הקטנה

• ניסוי 3 עיבוד תמונה: ביצוע פעולות גיאומטריות בתמונה (הקטנה, הטייה, הזזה)

• איור ‭3.1‬ מימין תמונה דגומה, משמאל אותה תמונה מוטית בזווית של ‭90°‬

• איור ‭3.2‬ שחזור תמונה מקורית בחלון ה‭Console-‬ אחרי הקטנה, הטיה והזזה

• ניסוי 4 ניתוח התמונה

• איור ‭4.1‬ מידות פיזיות המאפיינות צורה

• איור ‭4.2‬ שימוש במאפיין המעגליות כדי לזהות צורות בתמונה

• טבלה ‭4.1‬ מציאת ההיקף של צורה על-פי המנִ ייה של כל הנקודות לאורך קווי המתאר שלה

• איור ‭4.3‬ זיהוי סוג הצורה של צורה מצולמת באמצעות חישוב מאפיין המעגליות שלה

• נספחים

• נספח 1 התקנת התוכנות להפעלת כרטיס הפיתוח המבוסס על המעבד Atmel 89C5131

• איור נ‭1.1‬ כרטיס הפיתוח המבוסס על המעבד ‭Atmel 89C5131‬ ועליו התקני קלט/פלט ומשטח ‭W.W‬

• איור נ‭1.2‬ החלון ‭Found New Hardware Wizard‬ המופיע במהלך התקנת הכרטיס

• נספח 2 החוצץ (74LS244 (Buffer

• איור נ‭2.1‬ סכמה חשמלית וטבלת אמת של החוצץ ‭74LS244‬

• נספח 3 סרטוט כולל של מעגלי הרובוט

• נספח 4 עקרונות הפעולה של מנוע לזרם ישר (מנוע ז"י)

• איור נ‭4.1‬ כוחות משיכה וכוחות דחייה בין שני הקטבים המגנטיים

• איור נ‭4.2‬ מיקום הקטבים המגנטיים באלקטרו- מגנט

• איור נ‭4.3‬ סטטור של מנוע ז"י, עם מגנטים קבועים

• איור נ‭4.4‬ א. רוטור (עוגן) מותקן בתוך סטטור; ב. עוגן מפורק

• איור נ‭4.5‬ כוח משיכה שנוצר בין הקטבים גורם לסיבוב של הרוטור

• איור נ‭4.6‬ כוח הדחייה בין הקטבים גורם לסיבוב המנוע

• איור נ‭4.7‬ א. מברשת "מפורקת‭;"‬ ב. מברשות וצובר; ג. מברשות בסטטור

• איור נ‭#1½#4.8‬ מנוע בעל חמישה סלילים; ב. מנוע בעל שלושה סלילים

• איור נ‭4.9‬ חתך רוחב של מנוע ז"י בעל רוטור עם 12 קטבים

• נספח 5 סרטוט של בסיס הרובוט

• נספח 6 ריבוע צבוע שחור המשתנה בהדרגה ללבן

עמודים:

1  2  3  4  5  7  9  10  11  12  13