در این قسمت به معرفی امكانات اضافی روبات های متحرك، جهت حركت هوشمندانه در محیط و انجام ماموریت های خاص می پردازیم.

1-      خط یابی (Line Tracking) :

خط یابی (Line Tracking) یكی از ساده ترین امكاناتی است كه در ربات های متحرك كوچك ایجاد  می كنند. ربات های كه دارای این امكان باشند می توانند خط های رنگی روی زمین را تشخیص داده و در امتداد آنها حركت كنند. پیاده سازی این مكانیزم شامل مراحل اصلی زیر می باشد :

1)   طراحی و ساخت یك سیستم تشخیص دهنده خط با انتخاب یك حسگر (Sensor) مناسب تا بتوان وضعیت ربات نسبت به خط را تشخیص داد.

2)      طراحی ساختار هندسی مجموعه ای از سیستم های تشخیص دهنده به منظور درك وضعیت ربات.

3)   اتصال این مجموعه به یك پروسسور یا میكروكنترلر كه بتواند بر اساس اطلاعات دریافتی  از این مجموعه، درك مناسبی از وضعیت ربات حاصل كند.

4)      پیاده سازی یك استرا‍‍‍‍تژی تصمیم گیری به منظور كنترل وضعیت ربات تا در امتداد خط حركت كند.

5)      اعمال تصمیمات گرفته شده توسط پروسسور یا میكروكنترلر مركزی ربات به عملگرهای حركتی ربات ( موتورهای حركت و چرخش )

در ادامه به بررسی و ارایه روشهای عملی به منظور پیاده سازی مراحل بالا می پردازیم:

2-      سیستم تشخیص دهنده خط:

همانطور كه گفته شد در این مرحله با انتخاب یك حسگر (Sensor) مناسب و طراحی مدارات الكترونیكی لازم، مكانیزمی جهت تشخیص خط ایجاد می كنیم. انتخاب حسگر مناسب یكی از مهمترین قسمت های این مرحله می باشد. چطور می توان خط سیاه را توسط سیگنال های الكتریكی به ربات بفهمانید؟

به ایده های زیر فكر كنید:

1)   امواج مادون قرمز: رنگ سیاه امواج مادون قرمز را بیشتر از رنگهای دیگر از خود ساطع می كند. گیرنده. فرستنده های مادون قرمز به صورت ارزان و فراوان در بازار وجود دارند. یك نوع از گیرنده های مادون قرمز می تواند بر اساس شدت موج ارسالی از محیط در پایه های خود (Terminals  ) ولتاژ ایجاد كند و نوع دیگری مقاومت بین پایه هایش بر اساس شدت امواج مادون قرمز ارسالی تغییر میكند.

2)   انعكاس نور: رنگ سیاه بیشتر از رنگهای دیگر نور محیط را جذب می كند. در حالی كه رنگ های دیگر قسمتی از نور را منعكس می كنند. فتورزیستور ها و فتوسل ها عناصر ساده و فراوانی هستند كه به ترتیب مقاومت و ولتاژ متغیر با نور دریافتی، از خود نشان می دهند.

هر كدام از دو ایده فوق (و یا ایده های دیگر) می توانند در انتخاب حسگر مناسب به ما كمك كند. در ادامه روشی مبنی بر استفاده از فتورزیستور به عنوان حسگر ارایه می دهیم.

2-1) فتورزیستور ها :

شكل روبرو شمای یك فتورزیستور نمونه را نشان می دهد. همان طور كه در این شكل می بینید فتورزیستور ها از یك شبكه هز جنس ماده رسانای حساس به نور تشكیل شده اند. این شبكه بر اساس نور دریافتی از محیط مقاومت متغیری از خود نشان می دهد. دو سر این شبكه به ترمینال های اصلی فتورزیستور متصل می شود.

به عنوان مثال نوعی فتورزیستور موجود در بازار در نور معمولی مقاومتی در حدود ششصد كیلو اهم و در تاریكی در حدود 1 مگا اهم از خود نشان می دهد. از آنجا كه سنسور های تشخیص خط در زیر ربات قرار دارند لذا نور زیر ربات عمدتا به  دلیل سایه بزرگ سطح ربات یكسان است پس وقتی سنسور ها روی خط سیاه رنگ قرار بگیرند مقاومت متفاوتی نسبت به حالتی كه روی خط سیاه قرار ندارند پیدا می كنند. این پدیده ایده خوبی برای طراحی سیستم تشخیص دهنده خط می باشد. بر اساس این خاصیت و با استفاده از مدار الكترونیكی معرفی شده در قسمت بعد می توان سیستم تشخیص دهنده خط را طراحی نمود.

همانطور كه گفته شد مقاومت الكتریكی متغیر با نور فتورزیستور می تواند بیانگر وضعیت حسگر های ربات نسبت به خط باشد. مدار الكترونیكی زیر را در نظر بگیرید:

این مدار یك مقایسه گر ولتاژ هیسترزیسی مبتنی بر مقایسه كننده LM311 میباشد. سطح هیسترزیس مقایسه توسط POT1 و با توجه به رابطه زیر قابل كنترل می باشد:

رابطه بالا ولتاژ پایین و بالای سطح هیسترزیس را نشان می دهد. ولی با توجه به وجود دیود D1 در مدار ولتاژ پایین سطح هیسترزیس تقریبا برابر صفر ولت خواهد بود.

حال باید POT2 را به گونه ای تنظیم كنیم تا با توجه به وضعیت فتورزیستور نسبت به خط، مدار الكترونیكی واكنش مناسب را نشان دهد. وقتی ولتاژ پایه منفی مقایسه كننده از سطح بالای هیسترزیس بیشتر شد مقایسه كننده به حالت اشباع منفی می رود و وقتی ولتاژ مقایسه كننده از سطح پایین هیسترزیس كمتر شد مقایسه كننده به حالت اشباع مثبت می رود. در مدار نشان داده شده ولتاژ پایه منفی مقایسه كننده از رابطه زیر بدست می آید:

طبق این رابطه ملاحظه می كنید كه وقتی مقاومت فتورزیستور از مقاومت POT2 كمتر شد ولتاژ پایه منفی مقایسه كننده مثبت و وقتی این مقاومت بیشتر از مقاومت POT2 شد، ولتاژ پایه منفی مقایسه كننده منفی خواهد شد.  POT2به منظور تنظیم ولتاژ پایه منفی مقایسه كننده در نظر گرفته شده است.

از آنجا كه مقایسه گر LM311 یك مقایسه گر دروازه باز یا Collector Open میباشد لذا باید از مقاومت بالاكش (Pull Up) استفاده نمود. در این مدار مقاومت R3 برای این منظور در نظر گرفته شده است.

با توجه به آنچه تا كنون گفته شد برای طراحی مدار الكترونیكی سنسور میتوان از قطعات زیر استفاده نمود:

R1 = 1MΩ

R2 = Photo resistor

R3 = 1KΩ

R4 = 220Ω

POT1 = 100KΩ

POT2 = 1MΩ

D1 = 1N4148

U1 = LM311

تا این مرحله سیستم تشخیص دهنده خط به گونه ای طراحی شد كه با توجه به وجود خط در زیر حسگر ولتاژ اشباع مثبت یا صفر ولت را در خروجی ظاهر می كند. این ولتاژ ها دارای سطح های منطقی صفر و یك به شكل TTL می باشند. لذا می توان خروجی این سیستم را مستقیما به كامپیوتر یا IC های TTL متصل نمود. (برای اطمینان از عملكرد سیتم بهتر است ولتاژ خروجی ابتدا Buffer شود.)

3-      ساختار مجموعه حسگر ها:

حسگر ها تشخیص دهنده طراحی شده هر كدام به تنهایی اعلام می كنند كه آیا روی خط قرار دارند و یا خارج از خط می باشند، ولی نمی توانند وضعیت ربات نسبت به خط را تعیین كنند. به منظور تعیین وضعیت ربات نسبت به خط باید از چندین حسگر تشخیص خط در یك ساختار هندسی مشخص استفاده نمود.

می توان ثابت نمود كه بهینه ترین آرایش حسگر ها به منظور تعیین وضعیت ربات نسبت به خط آرایش مثلثی سه حسگر میباشد كه دوتا در جلو ویكی در عقب ربات قرار گیرد. در اینجا به علت پیچیدگی این روش، روش ساده تری را معرفی می كنیم. در این روش از چهار حسگر كه روی یك خط راست قرار دارند استفاده خواهیم كرد.

شكل روبرو این آرایش سنسور ها را نشان می دهد. در حالت عادی دو حسگر وسطی كه در فاصله نزدیكی نسبت به هم قرار دارند خط را تشخیص می دهند و دو حسگر دیگر كه در طرفین حسگر های وسطی قرار دارند خط را تشخیص نمی دهند.

4-      پردازش اطلاعات حسگر ها و تصمیم گیری :

اطلاعات به دست آمده از مجموعه چهار عنصری حسگر ها باید پردازش شده و با توجه به منطق مناسبی تصمیم گیریهای لازم جهت كنترل وضعیت ربات به عمل آید. برای این منظور همیشه نمی توان با توجه به وضعیت فعلی مجموعه حسگر ها، موقعیت ربات نسبت به خط را تشخیص داد بلكه باید وضعیت قبلی ربات را هم در نظر داشت. جدول زیر حالات مختلف وضعیت ربات و خط همراه با فرمان كنترلی مناسب صادر شده توسط كنترل كننده مركزی به عملگر های محرك ربات را نشان می دهد.