Схема СУРТ смоделированного в программе CircuitMaker

Содержание Приложение  А Перечень элементов Приложение  Б Схема электрическая принципиальная
					1206.337012.000 ПЗ
Изм	Лист	№ докум.	Подп	Дата
Разраб.		Акмалов А.А.			CУРТ с ходовым двигателем	Лит			Лист	Листов
Провер.		Яшин Е.В.							1	14
						УГАТУ ПЭ-337

 

 

Введение

 

  Мобильный робот — автоматическая машина, в которой имеется движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами. Такие роботы могут быть колёсными, шагающими и гусеничными. Наиболее распространёнными роботами являются  четырёхколёсные и гусеничные роботы. Создаются также роботы, имеющие другое число колёс — два или одно. Такого рода решения позволяют упростить конструкцию робота, а также придать роботу возможность работать в пространствах, где четырёхколёсная конструкция оказывается неработоспособна.

Для разработки роботов используется теория автоматов. Существуют различные способы их описания, наиболее удобные способы это рассматривание системы управления робота как автомат Мура или Мили. В данной работе будем использовать автомат Мура, как более удобный и простой для решения поставленной задачи.

Автомат Мура (абстрактный автомат второго рода) в теории вычислений — конечный автомат, выходное значение сигнала в котором зависит лишь от текущего состояния данного автомата, и не зависит напрямую, в отличие от автомата Мили, от входных значений. Способы задания : 

• Диаграмма — изображённый на плоскости ориентированный граф, вершины которого взаимно однозначно соответствуют состояниям автомата, а дуги — входным символам.
• Таблица переходов-выходов, в ячейках которой для каждой пары значений аргументов х(t), q(t) проставляются будущие внутренние состояния q(t+1). Значения выходных сигналов y(t) представляются в отдельном столбце.

 

 

 

Рис.1. Функциональная схема автомата Мура

 

 

1 Формулировка задания

 

СУ роботизированной тележки с  ходовым двигателем и тормозами

СУРТ, реализующая «сканирование» помещения

Роботизированная тележка (PT) оснащена следующими исполнительными механизмам (ИМ): ходовой двигатель (ХД) и 2 тормоза (T3-1 и T3-2). Движение PT должно подчиняться правилу: «Вперед» - «Стоп» - «Поворот влево/вправо» - «Стоп» - «Вперед» и т.д. Режимы движения реализуются следующими командами управления:

Таблица 1.Режимы  движения СУРТ

Режим движения	ХД	ТЗ-1	ТЗ-2
Вперед	Вкл.	Откл.	Откл.
Поворот вправо	Вкл.	Вкл.	Откл.
Поворот влево	Вкл.	Откл.	Вкл.
Стоп	Откл.	Вкл.	Вкл.

PT оснащена датчиками  препятствий (ДП):

ДП - препятствие спереди;

ДП способны различать  следующие ситуации и выдавать сигналы (в двоичной форме):

«0» - препятствия нет;

«1» - препятствие есть (рядом);

PT движется внутри  замкнутого помещения, имеющего  форму многоугольника с прямыми  углами без «тупиков», ограничивающих  ее подвижность. Внутри данного  помещения могут находиться изолированные препятствия ограниченного размера так же не создающие «тупики».

Изолированных препятствий в помещении  нет. РТ должна начать движение вдоль  левой стены и двигаться по помещению прямо до противоположной  стены, затем выполнить поворот  вправо на 90°, пройти вдоль стены в течение 1с., повернуть направо на 90° и двигаться к исходной стене, у которой зеркально повторить маневр. Остановиться, достигнув правой стены.

 

2 Составление блок-схемы роботизированной тележки

Рассматриваем движение только по прямоугольному помещению

Рис.2. Траектория движения робота и его состояния

Составим блок схему  движения робота, учитывая что нам  понадобятся 2 счетчика Сr  и Cr2

Счетчик Сr будет принимать значения только 1 и 0,Сr2  будет считать до 10, имитируя прохождение 1с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3. Блок схема робота-тележки

3 Диаграммы состояний СУРТ

Построим диаграмму  по состояниям, отмеченным на Рис.1

Рис.4. Расширенная диаграмма состояний СУРТ

Учитывая, что состояния «вправо/влево» зависят только от счетчика Сr их можно объединить в одно состояние «поворот», а таблица переходов в дальнейшем просто продублируется для двух значений 1 и 0,выдаваемым этим счетчиком. В упрощенной диаграмме Сr это Cr2(1=досчитал до 10,0=не досчитал).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Диаграмма состояний СУРТ (без учета счетчика поворота)

 

 

 

 

 

 

 

4 Таблица переходов

Таблица 2. Переходы состояний  СУРТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В таблице показаны переходы из состояния  Q_t(q0,q1) в состояние Q_t+1(q0,q1) при условии (Cr,Cr2,ДП).Выходные сигналы Y(ХД), Y(TЗ-1),Y(ТЗ-2) – ходовый двигатель, левый и правые тормоза соответственно. Данная таблица будет прописываться в ПЗУ согласно указанным адресам. Как и было отмечено,

вторая половина практически  дублирует первую, Сr определяет только метод поворота – вправо/влево. Условий в строках 7,12,13 и 23,28,29 не может быть, так что можно прописать чтобы робот в этих случаях переходил в состояние «стоп».

 

5 Составление структурной схемы

Обобщенная схема СУРТ будет  выглядеть следующим образом 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.6. Структурная схема СУРТ

 

1. Блок подачи сигнала содержит генератор импульсов и датчик препятствия, со схемой антидребезга контактов на RS триггере.

2. Блок обработки сигнала содержит ПЗУ, с прописанной в ней таблицей переходов.

3. Блок выбора поворота включает в себя JK триггер в счетном режиме, с предварительной установкой в 1 так же через схему антидребезга.

4. Блок счета движения содержит 4-х разрядный тактируемый счетчик с функцией переполнения и сброса. Для хранения полученного значения счета, а также для сброса (запрета счета) используются 2 RS триггера

5 Блок вывода содержит  выходной регистр с функцией  сброса, а также индикаторы, имитирующие  ХД, ТЗ-1, ТЗ-2.

 

 

 

 

 

 

 

6 Принцип действия СУРТ

6.1 Блок подачи и обработки сигнала

Для подачи импульсов  используем мультивибратор на двух элементах «ИЛИ-НЕ». Основная его задача - генерация прямоугольных импульсов. Выбор обусловлен относительной простотой и возможностью избежать использования дополнительной микросхемы.

 

Рис.7. Мультивибратор

.

       Для расчетов применялась литература [см. Цифровая схемотехника /Е. П. Угрюмов].

Расчетная частота 20 Гц (при  счете до 10 время должно быть 1с)

Выбираем R1=1кОм,С1=75нФ,R2=200кОм.Для подстройки частоты следует последовательно с R2 поставить подстроечный резистор.

Элемент ИЛИ-НЕ на микросхеме DM74LS02N

 

 

 

 

 

Рис.8. Микросхема DM74LS02N

 

Подача сигнала с датчика осуществляется через схему антидребезга контактов

на RS триггере. Так как в данной схеме требуется несколько таких триггеров, была выбрана их сборка из 4 триггеров на микросхеме CD4043B    

 

 

 

Рис.9. Микросхема СD4043B

6.2 Блок выбора поворота

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.10. Блок выбора поворота

 

Состоит из JK триггера в счетном режиме. Установка в 1 происходит через RS триггер (схема антидребезга). Входным сигналом для опрокидывания триггера является выход с элемента ИЛИ-НЕ, который в свою очередь подключен к выводам состояний ПЗУ. При получении сигнала 00 (движение вперед) элемент ИЛИ-НЕ на своем выходе имеет 1.JK триггер реализуется на основе микросхемы СD4027BMS (включает в себя 2 jk триггера).

 

 

 

 

 

 

 

Рис.11. Микросхема СD4027BMS

 

 

 

 

 

6.3 Блок счета движения

  

Рис.12. Блок счета движения

 

    Реализован на счетчике CD4510B

 

 

 

 

 

Рис.13. Микросхема CD4510B

Данный счетчик имеет функцию переполнения (TC),сброса (R).Начало счета задает состояние поворота (01) элемент И с инвертором чрерз первый RS триггер на вход разрешения счета. Сброс счетчика осуществляет также состоянеие «вперед» (00) через элементы ИЛИ-НЕ. По окончании счета счетчик выдает на TC 0, (ч-з инвертер 1)сбрасывает разрешение на счет в RS триггере, а через второй RS триггер устанавливает 1 на вход ПЗУ, информируя об окончании счета.

 

Элемент И  реализуется на микросхеме DM74LS02N

 

 

 

 

 

 

            Рис.14. Микросхема DM74LS02N

Элемент инверсии реализуется на микросхеме SN74LS04N

Рис.15. Микросхема SN74LS04N

6.4 Блок обработки сигнала

Включает в себя ПЗУ 32х8 на микросхеме 82S123

 

 

 

           Рис.16. Микросхема 82S123

 

6.5 Блок вывода.

Данный блок состоит  из выходного регистра N74199N и логических индикаторов.

Выводы состояний Q4 Q3 выводятся на вход ПЗУ, остальные на индикаторы ХД, ТЗ-1, ТЗ-2

 

.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.17. Блок вывода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.18. Микросхема N74199N

 

7 Схема СУРТ смоделированного в программе CircuitMaker

Рис.19. Схема моделирования СУРТ

Для защиты микросхем на каждую из них следует поставить конденсаторы К17-10 16В- 0.01мкФ±10%.Ограничительные резисторы выбирем равным 1кОм (МЛТ-0.125-1кОм±10%.).Для разьемов входов и выходов выбираем гнездо DS1026 вилку DS1021. 

 

Выводы

 

    В ходе курсового проектирования была создана роботизированная тележка, изучены методы описания САУ с помощью использования автомата Мура. Были выбраны требуемые микросхемы, произведена отладка и проверка схемы с помощью моделирования в программе CircuitMaker, которое и доказало работоспособность спроектированной схемы

 

 

 

 

Список использованной литературы

     1. Цифровая схемотехника /Е. П. Угрюмов , БХВ-Петербург,2007–782с.

     2. Справочник по цифровой схемотехнике /В.И. Зубчук, В.П. Сигорский, А.Н. Шкуро, 1990. – 448с.

     3. Интегральные микросхемы: Справочник / И73 Б.В. Тарабрин, Л.Ф. Лунин, Ю.Н. Смирнов и др.; 1983 – 528с., ил.