Робототехника на Arduino

1 модуль обучения

Тема №1. Основы электроники и программирования

Введение в робототехнику, основы электроники и программирования в среде Arduino. Закон Ома. Резистор как ограничитель тока.
Изучаемые электронные компоненты: резистор и светодиод.

Практика: Составление простых электрических схем. Выполнение расчётов по закону Ома. Знакомство с интерфейсом системы программирования.

Тема №2. Архитектура Arduino. Основы языка С++

Архитектура Arduino. Основы языка программирования С++. Типы алгоритмов (линейный, ветвление, цикл). Цифровые входы/выходы и контактные датчики.
Изучаемые электронные компоненты: контактные датчики и кнопки.

Практика: Составление алгоритмов для решения задач, написание программ на языке С++. Изучение платы Arduino, датчиков. Знакомство с макетной платой. Сборка схем на макетной плате.

Тема №3. Потенциометр

Монитор последовательного порта. Аналоговые входы. Потенциометр как делитель напряжения.
Изучаемые электронные компоненты: потенциометр.

Практика: Составление и расчёт схем с делителем напряжения. Подключение потенциометра, исследование его работы.

Тема №4. Широтно-импульсная модуляция

Широтно-импульсная модуляция и управление цифровыми выходами по сигналам от аналоговых входов.

Изучаемые электронные компоненты: пьезоизлучатель.

Практика: Сборка схемы с применением пьезоизлучателя. Сборка схемы и написание программы для регулирования яркости светодиода.

Тема №5. Система технического зрения робота

Система технического зрения робота. Фоторезистор как датчик освещения. Микрофон. Изучаемые электронные компоненты: фоторезистор, микрофон

Практика: Сборка схемы с применением фоторезистора и микрофона. Написание программ для включение и выключение светодиода с помощью фоторезистора и микрофона («ночник-автомат», светильник, срабатывающий по хлопку).

Тема №6. Термистор и оптопара

Термистор как элемент метеостанции. Оптопара как датчик отслеживания линии. Изучаемые электронные компоненты: термистор и оптопара.

Практика: Сборка схемы с применением термистора. Проверка возможности измерения температуры с помощью термистора. Написание программы для определения температуры. Сборка схемы с применением оптопары. Написание программы для различения черной линии.

Тема №7. Инфракрасные и ультразвуковые дальномеры

Инфракрасный датчик препятствий. Ультразвуковой дальномер. Подключение внешних библиотек.
Изучаемые электронные компоненты: инфракрасный датчик препятствий и ультразвуковой дальнометр.

Практика: Подключение и использование внешних библиотек в программировании. Сборка схемы с использованием датчика препятствий. Написание программы и настройка схемы для определения препятствия на заданном расстоянии. Сборка схемы с использованием ультразвукового дальномера. Написание программы определения расстояния до объекта с помощью дальномера.

Тема №8. Инфракрасный дальномер. Калибровка

Инфракрасный дальномер. Основы работы в Excel. Калибровка ИК-дальномера. Изучаемые электронные компоненты: инфракрасный дальномер.

Практика: Сборка схемы с применением инфракрасного дальномера. Написание программы для определения расстояния до объекта с помощью дальномера. Использование Excel для калибровки дальномера.

Тема №9. Управление сервоприводом

Сервомашинки. Основные характеристики и принципы управления. Широтно-импульсная модуляция.
Изучаемые электронные компоненты: сервопривод.

Практика: Сборка схемы с использованием сервопривода. Исследование возможностей сервопривода. Написание программы для управления сервоприводом.

Тема №10. Управление сервоприводом по данным от дальномеров

Знакомство с требованиями к техническому заданию. Самостоятельное закрепление материала по управлению сервомашинками. Решение комплексных задач управления.

Практика: Составление технического задания по разработке электрической схемы и программы для управления сервоприводами с помощью дальномера. Реализация проекта согласно техническому заданию.

Тема №11. Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые приборы. Транзистор как электронный ключ и усилитель сигнала. Подключение электродвигателя через транзистор.
Изучаемые электронные компоненты: полупроводниковый диод, трехцветный светодиод, транзистор и электродвигатель.

Практика: Сборка схемы с использованием диода. Исследование работы диода. Сборка схемы с использованием транзистора в качестве ключа и усилителя. Исследование работы транзистора.

Тема №12. Драйвер двигателя

Н-мост и драйвер двигателей. Управление электродвигателем при помощи драйвера двигателя (микросхемы L293D, L298N, модуль Motor Shield). Подключение электродвигателя с внешним источником питания.
Изучаемые электронные компоненты: микросхемы L293D, L298N, модуль Motor Shield

Практика: Разработка способа изменения направления вращения двигателя. Исследование H-моста. Исследование и сравнение характеристик микросхем L293D, L298N. Сборка схем для управления электродвигателями в том числе с использованием внешнего источника питания.

2-й модуль обучения

Тема № 1. Введение в спортивную робототехнику

Виды соревнований мобильных роботов. Обзор основных электронных компонент спортивной робототехники.

Практика: Поиск тематических сайтов и изучение информации на них.

Тема №2. Управление электродвигателями с внешним источником питания

Биполярные транзисторы. Транзисторный ключ. Модули управления двигателями

Практика: сборка схем для закрепления информации тем №11 и №13 первого года. Изучение существующих электронных компонентов, сравнение их характеристик (габаритов, мощности, цены и пр.)

Тема №3. Основы конструирования

Конструкция робота. Элементы питания, батареи и аккумуляторы.

Практика: Изучение возможных конструкций роботов, преимуществ и недостатков. Изучение существующих источников питания, сравнение их характеристик.

Тема №4. Робот с датчиками препятствия и дальномерами

Система технического зрения робота.  Элементы системы технического зрения.

Практика: Повторение тем №5, №7, №9 первого года. Доработка робота, собранного в конце первого года обучения. Внесение изменений в техническое задание.

Тема №5. Робот, следующий по линии

Робот с одним датчиком. Робот с двумя датчиками. Робот с тремя датчиками.

Практика: Повторение темы №6 первого года. Доработка робота. Исследование влияния количества датчиков на движение робота по линии.

Тема №6. ПИД - управление

Общие сведения о ПИД-регуляторах. Настройка ПИД-регуляторов. О применимости ПИД-регуляторов.

Практика: Сборка схем на макетной плате, использование имеющихся роботов для исследования возможностей автоматического управления.

Тема №7. Прерывания в Arduino

Общие сведения о прерываниях. Прерывание по таймеру. Внешние прерывания.

Практика: Написание программ, использующих разные типы прерываний. Проверка работы программ на схемах, собранных на макетной плате.

Тема №8. Обратная связь в робототехнике. Энкодеры

Энкодер как элемент обратной связи. Принцип работы энкодера.

Практика: Написание программ, использующих обратную связь. Использование энкодера в схемах, исследование его работы.

Тема №9. Робот для соревнований «Умник-Бот»

Соревнования УМНИК-БОТ. Схема робота. Базовые программы

Практика: Разработка технического задания, эскиза, конструктивной схемы робота. Разработка программ.

Тема №10. Механизмы управления

Общая схема управления. Считывание значений датчиков и обработка. Выполнение действий.

Практика: разработка программ и сборка на макетной плате отдельных схем, реализующих заданный алгоритм обработки полученных от датчиков данных и выполнения определённых действий.

Тема №11. Робот «Умник-Бот» как конечный автомат

Состояние робота. Популярно об автоматном программировании.  Робот "Умник-БОТ" как управляющий автомат. Программная реализация автомата Мура.

Практика: Проведение доработки существующих роботов.

Тема №12. Проведение соревнований.

Организационные вопросы, связанные с демонстрацией результатов второго года обучения.

Практика: Проверка работоспособности роботов, придание завершённого эстетического вида.