Σχεδίαση και κατασκευή αυτόνομου ρομπότ με δυνατότητα αναζήτησης βάσης φόρτισης και σύνδεση με αυτή

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία περιλαμβάνει τον σχεδιασμό και την υλοποίηση ενός αυτόνομου ρομπότ που έχει την εξειδικευμένη ικανότητα να εντοπίζει την βάση φόρτισης του, να πλοηγείται προς αυτή και αφού συνδεθεί με αυτή να φορτίζει την μπαταρία τροφοδοσίας του. Μέσα από την εργασία δίνεται μια συνοπτική εικόνα της φιλοσοφίας που ακολουθείται για τον σχεδιασμό μιας ρομποτικής εφαρμογής και αναδεικνύεται η σπουδαιότητα τέτοιων επιτευγμάτων στις μέρες μας. Σκοπίμως έχουμε χωρίσει την διπλωματική εργασία σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος ξεκινά με μια σύντομη ιστορική αναδρομή στα ρομπότ ενώ στην συνέχεια γίνεται μια στοχευόμενη περιγραφή τεχνικών πλοήγησης ρομπότ διαφορικής οδήγησης , τεχνικές που εφαρμόσαμε στην κατασκευή μας. Επίσης στο πρώτο μέρος παρουσιάζουμε ένα σύνολο από αισθητήρες, το μικροελεκτή Arduino και κάποια είδη επαναφορτιζόμενων μπαταριών. Το δεύτερο μέρος αποτελεί και το πιο ουσιαστικό κομμάτι της εργασίας αφού περιγράφει με λεπτομέρεια την πορεία κατασκευής του ρομπότ από τον σχεδιασμό των επιμέρους στοιχείων μέχρι την κατασκευή του. Η ρομποτική εφαρμογή αποτελείται από δύο ιδιοκατασκευές , ένα αυτοκινούμενο ερπυστριοφόρο ρομπότ και μια σταθερή βάση φόρτισης. Σε αυτό το μέρος παρουσιάζονται όλα τα στοιχεία που συναποτελούν τις δύο κατασκευές όπως αισθητήριες διατάξεις, κυκλώματα τροφοδοσίας , κυκλώματα οδήγησης κινητήρων καθώς και τα μηχανολογικά στοιχεία που υποστηρίζουν το σύστημα. Στη συνέχεια αναλύεται ο τρόπος λειτουργίας του ρομπότ και παρουσιάζεται ο προγραμματιστικός κώδικας που φορτώθηκε στον μικροελεκτή. Στο τελευταίο κεφάλαιο αυτού του μέρους κάνουμε ένα απολογισμό της κατασκευής, αναλύουμε σφάλματα και προτείνουμε τρόπους βελτίωσης του συστήματος τόσο από πλευράς υλικού όσο και από πλευράς λογισμικού. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι η όλη κατασκευή συνδυάζει εφαρμογή γνώσεων από διάφορα επιστημονικά πεδία του μηχανικού όπως ρομποτικής, ηλεκτρονικής μικροϋπολογιστών και συστημάτων αυτομάτου ελέγχου. Η εφαρμογή στην πράξη των όσων διδαχτήκαμε σε θεωρητικό επίπεδο ανέδειξε το χάσμα που υπάρχει μεταξύ θεωρίας και πράξης και τις δυσκολίες που υπεισέρχονται στην κατασκευή τέτοιων συστημάτων. Εν κατακλείδι θέλω να εκφράσω την ικανοποίηση μου για το αποτέλεσμα που πετύχαμε. Το ρομπότ είναι ένα κατασκεύασμα υψηλής τεχνολογίας εφοδιασμένο με ισχυρό υλικό έτοιμο να υποστηρίξει και άλλες λειτουργίες μέσω φόρτωσης επιπλέον κώδικα στον μικροελεκτή του. Η χαρά της δημιουργίας έρχεται να ανταμείψει το χρόνο πολύωρης εργασίας που αφιερώθηκε.

This thesis involves the design and implementation of an autonomous robot that has the specialized ability to identify and navigate to its charging base and once connected charge its battery. Through the project, a brief overview of the philosophy followed for the design of robotic applications is provided and the importance of such achievements nowadays is indicated.

Intentionally we split the thesis into two parts. The first part begins with a brief historical review of robots and then a description of techniques for differential robot driving becomes the main point as well as navigation techniques implemented in our construction. Also in the first part we present a set of sensors, the Arduino microcontroller and some types of rechargeable batteries.

The second part is the most substantial piece of work after describing in detail the procedure for constructing the robot from designing the components to manufacturing. The robotic application consists of two parts, an automotive tracked robot and a solid charger. In this part, all the elements that constitute the two parts, such as sensing devices, power supplies, motor drive circuits and the mechanical elements that support the system are presented. Then the operation of the robot is analyzed and the programming code loaded in to the microcontroller is illustrated. In the last chapter of this part a review of the structure is undertaken, including analyzing errors and suggesting ways to improve the system both in terms of hardware and in terms of software.

Noteworthy is the fact that the whole construction combines application knowledge from various disciplines of engineering such as robotics, microcomputer electronics and automation control systems. The practical application of what we learned in theory highlighted the gap between theory and practice and the difficulties involved in building such systems.

In conclusion I wish to express my satisfaction with the results achieved. The robot is a construction of high-tech equipped with powerful hardware ready to support other functions via introducing extra code in the microcontroller. The joy of creation rewards the long time spent.