🎛️ Управление • 🔄 Обратная связь • 📡 Сигналы • 🧠 Алгоритмы
6 класс • Технология • 45 минут
👨🏫 Учитель: Ахметов Рустам
🏫 Школа: ГБОУ № 1362
📅 Дата: 2025-06-13
🎯 Цель: Научиться проектировать мозг робота - систему управления!
Учитель: Ахметов Рустам
Школа: ГБОУ Школа № 1362
Класс: 6 (физмат-профиль)
Модуль: Мобильная робототехника
Тип урока: Комбинированный (теория + практика, 45 минут)
Создать методическую презентацию для изучения систем управления роботами с акцентом на инженерное проектирование и практическое создание схем управления.
⚙️ Наша инженерная задача:
🎯 К концу урока мы сможем:
🏠 Примеры систем управления вокруг нас:
Микроволновая печь:
1Входные сигналы:
2- Время нагрева (кнопки)
3- Мощность (регулятор)
4- Сигнал от датчика дверцы
5
6Обработка:
7- Микроконтроллер анализирует сигналы
8- Запускает программу нагрева
9
10Выходные сигналы:
11- Включение магнетрона
12- Вращение тарелки
13- Подсветка камеры
14- Звуковой сигнал
Автомобиль:
1Входные сигналы:
2- Поворот руля
3- Нажатие педалей
4- Сигналы датчиков (скорость, температура)
5
6Обработка:
7- ЭБУ (электронный блок управления)
8- ABS, ESP системы
9
10Выходные сигналы:
11- Поворот колес
12- Торможение
13- Ускорение двигателя
14- Индикация на панели
🎯 Отличия робота от обычной техники:
Автономность:
Многозадачность:
Интеллектуальность:
🔬 Преобразование сигналов:
Электрические сигналы → Механическое движение:
\[U_{\text{упр}} \rightarrow I_{\text{мотор}} \rightarrow M_{\text{вращ}} \rightarrow \omega\]где:
Мощность управляющего сигнала:
\[P = U \cdot I = \frac{U^2}{R}\]Скорость двигателя:
\[\omega = k \cdot U_{\text{упр}}\]где k - коэффициент передачи двигателя
⚠️ Технические вызовы:
Шумы и помехи:
Задержки в системе:
Нелинейности:
Математическое описание задержки:
\[y(t) = x(t - \tau)\]где τ - время задержки в системе
Влияние шума:
\[y(t) = x(t) + n(t)\]где n(t) - случайный шум
🔧 Основные компоненты:
1┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
2│ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОМ │
3├─────────────────────────────────────────────────────────┤
4│ │
5│ 📡 ВХОДЫ 🧠 ОБРАБОТКА ⚙️ ВЫХОДЫ │
6│ │
7│ Датчики ──► Контроллер ──► Исполнители │
8│ Команды Алгоритмы Индикаторы │
9│ Сигналы Программы Связь │
10│ │
11│ ◄──── Обратная связь ────── │
12│ │
13└─────────────────────────────────────────────────────────┘
📡 Входные устройства (сенсоры):
🧠 Блок обработки (контроллер):
⚙️ Исполнительные устройства:
📡 Датчики - “органы чувств” робота:
Ультразвуковой датчик расстояния:
1Принцип работы:
21. Излучение ультразвукового импульса
32. Отражение от препятствия
43. Прием отраженного сигнала
54. Измерение времени прохождения
6
7Расчет расстояния:
8d = (v × t) / 2
9где v = 343 м/с (скорость звука)
Энкодер двигателя:
1Функция: Измерение угла поворота и скорости
2Принцип: Подсчет импульсов при вращении
3Точность: до 0.1° поворота
4
5Расчет скорости:
6ω = (Δφ / Δt) × (360° / N)
7где N - количество импульсов на оборот
🧮 Типы контроллеров:
| Тип контроллера | Вычислительная мощность | Применение | Стоимость |
|---|---|---|---|
| Arduino Uno | 16 МГц, 8-бит | Обучение, простые проекты | $25 |
| Raspberry Pi 4 | 1.5 ГГц, 64-бит | Компьютерное зрение, ИИ | $75 |
| STM32 | 168 МГц, 32-бит | Промышленные роботы | $10-50 |
| NVIDIA Jetson | 1.4 ГГц + GPU | Автономные автомобили | $100-1000 |
⚡ Характеристики производительности:
Время реакции системы:
\[t_{\text{реакц}} = t_{\text{датчик}} + t_{\text{обраб}} + t_{\text{исполн}}\]Пример для Arduino:
Частота обновления управления:
\[f = \frac{1}{t_{\text{реакц}}} = \frac{1}{0.026} = 38.5 \text{ Гц}\]🔧 Типы приводов роботов:
Сервоприводы:
1Особенности:
2- Встроенная система позиционирования
3- Точность ±1°
4- Крутящий момент 1-20 кг⋅см
5- Угол поворота 0-180° или 0-360°
6
7Управление:
8Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
9Период сигнала: 20 мс
10Длительность импульса: 1-2 мс
Шаговые двигатели:
1Принцип работы:
2- Поворот на фиксированный угол (шаг)
3- Типичный шаг: 1.8° (200 шагов/оборот)
4- Высокая точность позиционирования
5- Отсутствие обратной связи
6
7Расчет положения:
8φ = N_шагов × α_шаг
9где α_шаг = 360° / количество_шагов_на_оборот
Двигатели постоянного тока:
1Характеристики:
2- Простое управление скоростью
3- Высокая скорость вращения
4- Необходима обратная связь для точности
5
6Управление скоростью:
7ω ∝ U_питания
8Управление через ШИМ с частотой > 1 кГц
🎯 Принцип работы: Управляющий сигнал подается на исполнительное устройство без контроля результата
📊 Структурная схема:
1Входной ┌─────────────┐ Управляющий ┌──────────────┐ Выходной
2сигнал ──► │ Контроллер │ ──► сигнал ──► │ Исполнитель │ ──► результат
3 └─────────────┘ └──────────────┘
🎮 Примеры разомкнутых систем:
Дистанционно управляемая машинка:
1Входы:
2- Сигналы с пульта управления
3- Команды движения (вперед/назад/поворот)
4
5Обработка:
6- Приемник декодирует радиосигнал
7- Контроллер преобразует в команды моторам
8
9Выходы:
10- Включение моторов
11- Поворот сервопривода руля
12
13Особенность: Нет контроля фактического движения
Микроволновая печь:
1Входы:
2- Время нагрева
3- Уровень мощности
4
5Обработка:
6- Таймер отсчитывает время
7- Регулятор мощности управляет магнетроном
8
9Выходы:
10- Включение магнетрона
11- Вращение тарелки
12
13Особенность: Нет контроля температуры пищи
🎯 Принцип работы: Система контролирует результат своей работы и корректирует управляющие воздействия
📊 Структурная схема:
1Задание ┌───┐ Ошибка ┌─────────────┐ Управление ┌──────────────┐ Выход
2 ──► │ Σ │ ──────► │ Контроллер │ ──────────► │ Исполнитель │ ─────►
3 └─┬─┘ └─────────────┘ └──────────────┘ │
4 │ │
5 │ ┌─────────┐ │
6 └─────────────────────────── │ Датчик │ ◄───────────────────┘
7 Обратная связь └─────────┘
🏠 Примеры замкнутых систем:
Кондиционер с термостатом:
1Задание: Температура 22°C
2
3Процесс управления:
41. Датчик измеряет текущую температуру (25°C)
52. Контроллер вычисляет ошибку: ε = 22 - 25 = -3°C
63. Включается охлаждение
74. Температура снижается
85. При достижении 22°C - охлаждение выключается
9
10Математическое описание:
11ε(t) = T_задан - T_текущ(t)
📊 Сравнительная таблица:
| Характеристика | Разомкнутая система | Замкнутая система |
|---|---|---|
| Точность | Низкая | Высокая |
| Стабильность | Зависит от условий | Автокоррекция |
| Сложность | Простая | Сложная |
| Стоимость | Низкая | Высокая |
| Время реакции | Быстрое | Медленнее |
| Надежность | Высокая | Зависит от датчиков |
⚙️ Математическое описание качества управления:
Точность разомкнутой системы:
\[\varepsilon = |y_{\text{задан}} - y_{\text{факт}}|\]Для замкнутой системы с ПИД-регулятором:
\[u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(\tau)d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}\]где:
📋 Критерии выбора для роботов:
Разомкнутую систему выбираем когда:
Замкнутую систему выбираем когда:
🏭 Применение в промышленности:
Промышленные роботы (замкнутые системы):
1Точность позиционирования: ±0.1 мм
2Повторяемость: ±0.05 мм
3Время позиционирования: 0.1-0.5 с
4Датчики: энкодеры, резольверы, датчики силы
Игрушечные роботы (разомкнутые системы):
1Точность: ±5-10 см
2Время реакции: 0.01-0.1 с
3Стоимость: $20-100
4Управление: дистанционное, по времени
🔧 Классификация сигналов:
По природе носителя:
По характеру изменения:
📊 Математическое описание сигналов:
Аналоговый сигнал:
\[u(t) = A \sin(2\pi f t + \phi)\]Цифровой сигнал:
\[u[n] = \{0, 1, 0, 1, 1, 0, ...\}\]Импульсный сигнал:
\[u(t) = A \cdot \delta(t - t_0)\]🔍 Сенсорная информация:
Датчики расстояния:
1Ультразвуковой HC-SR04:
2- Выходной сигнал: импульс длительностью t
3- Диапазон: 2-400 см
4- Точность: ±3 мм
5- Частота обновления: 40 Гц
6
7Преобразование:
8Расстояние = (длительность_импульса × 343) / 2
Энкодеры колес:
1Оптический энкодер:
2- Разрешение: 20-2000 импульсов/оборот
3- Выходной сигнал: две последовательности импульсов (A и B)
4- Направление определяется по сдвигу фаз
5
6Расчет скорости:
7ω = (количество_импульсов / время) × (2π / импульсов_на_оборот)
Гироскоп и акселерометр:
1MPU-6050:
2- Гироскоп: ±250-2000 °/с
3- Акселерометр: ±2-16 g
4- Интерфейс: I2C
5- Частота опроса: до 1000 Гц
6
7Определение ориентации:
8θ = ∫ ω dt (интегрирование угловой скорости)
🔧 Управление исполнительными механизмами:
ШИМ для управления двигателями:
1Широтно-импульсная модуляция:
2- Частота: 1-20 кГц
3- Скважность: 0-100%
4- Напряжение: 3.3В или 5В логика
5
6Управление скоростью:
7Средняя мощность = Напряжение_питания × (скважность / 100%)
Управление сервоприводами:
1Стандарт управления серво:
2- Период сигнала: 20 мс (50 Гц)
3- Длительность импульса:
4 * 1.0 мс → 0° (крайнее левое)
5 * 1.5 мс → 90° (центральное)
6 * 2.0 мс → 180° (крайнее правое)
7
8Формула расчета:
9t_импульса = 1.0 + (угол / 180) мс
Интерфейсы связи:
1UART (последовательный порт):
2- Скорость: 9600-115200 бод
3- Данные: 8 бит, стоп-бит, четность
4- Применение: связь с компьютером, модулями
5
6I2C (межмикросхемная шина):
7- Скорость: 100 кГц - 3.4 МГц
8- Адресация: 7-битная (128 устройств)
9- Применение: датчики, дисплеи
10
11SPI (последовательный периферийный интерфейс):
12- Скорость: до 50 МГц
13- Полнодуплексная связь
14- Применение: SD-карты, дисплеи
📊 Цифровая обработка сигналов:
Аналого-цифровое преобразование (АЦП):
\[\text{Цифровое значение} = \frac{U_{\text{вход}}}{U_{\text{опорн}}} \times (2^n - 1)\]где n - разрядность АЦП
Пример для 10-битного АЦП Arduino:
1U_опорн = 5 В
2n = 10 бит (значения 0-1023)
3
4При входном напряжении 2.5 В:
5Цифровое значение = (2.5 / 5.0) × 1023 = 511
Фильтрация шумов:
1Простой фильтр скользящего среднего:
2y[n] = (x[n] + x[n-1] + x[n-2] + ... + x[n-N+1]) / N
3
4Экспоненциальный фильтр:
5y[n] = α × x[n] + (1-α) × y[n-1]
6где α = 0.1-0.9 (коэффициент сглаживания)
Калибровка датчиков:
\[\text{Реальное значение} = k \times \text{Сырые данные} + b\]где k и b определяются экспериментально
⚙️ Arduino семейство:
Arduino Uno (ATmega328P):
1Технические характеристики:
2- Процессор: 8-бит AVR, 16 МГц
3- Память программ: 32 КБ Flash
4- ОЗУ: 2 КБ SRAM
5- Цифровые входы/выходы: 14 (6 ШИМ)
6- Аналоговые входы: 6 (10-бит АЦП)
7- Интерфейсы: UART, SPI, I2C
8
9Применение:
10- Обучение робототехнике
11- Простые автономные роботы
12- Прототипирование
Arduino Mega (ATmega2560):
1Расширенные возможности:
2- Память программ: 256 КБ Flash
3- ОЗУ: 8 КБ SRAM
4- Цифровые входы/выходы: 54 (15 ШИМ)
5- Аналоговые входы: 16
6- UART порты: 4
7
8Применение:
9- Сложные многофункциональные роботы
10- Большое количество датчиков
11- Управление множеством моторов
ESP32:
1Современные возможности:
2- Процессор: 32-бит двухъядерный, 240 МГц
3- Память: 520 КБ SRAM, до 16 МБ Flash
4- Беспроводная связь: Wi-Fi, Bluetooth
5- Периферия: АЦП, ЦАП, ШИМ, сенсорные входы
6
7Применение:
8- IoT роботы с удаленным управлением
9- Обработка данных в реальном времени
10- Машинное обучение на краю сети
🥧 Raspberry Pi семейство:
Raspberry Pi 4:
1Вычислительная мощность:
2- Процессор: ARM Cortex-A72, 1.5 ГГц (4 ядра)
3- ОЗУ: 2-8 ГБ LPDDR4
4- Графика: VideoCore VI GPU
5- Интерфейсы: USB 3.0, Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth
6
7Операционная система: Linux (Raspberry Pi OS)
8
9Применение в робототехнике:
10- Компьютерное зрение
11- Обработка естественного языка
12- Планирование траекторий
13- Веб-интерфейсы управления
🚀 NVIDIA Jetson Nano:
1Специализация на ИИ:
2- Процессор: ARM Cortex-A57, 1.43 ГГц (4 ядра)
3- GPU: 128-ядерный Maxwell
4- ОЗУ: 4 ГБ LPDDR4
5- Производительность ИИ: 472 GFLOPS
6
7Применение:
8- Автономные автомобили
9- Дроны с машинным зрением
10- Роботы-манипуляторы с ИИ
11- Обработка видео в реальном времени
📊 Сравнение производительности:
| Параметр | Arduino Uno | ESP32 | Raspberry Pi 4 | Jetson Nano |
|---|---|---|---|---|
| Частота процессора | 16 МГц | 240 МГц | 1500 МГц | 1430 МГц |
| Разрядность | 8-бит | 32-бит | 64-бит | 64-бит |
| ОЗУ | 2 КБ | 520 КБ | 2-8 ГБ | 4 ГБ |
| Время загрузки | мгновенно | 1-2 с | 30-60 с | 10-20 с |
| Потребление | 20 мА | 160 мА | 600 мА | 2-10 Вт |
| Стоимость | $25 | $10 | $35-75 | $99 |
🎯 Критерии выбора контроллера:
Время реакции системы:
\[t_{\text{реакц}} = t_{\text{чтение}} + t_{\text{вычисл}} + t_{\text{вывод}}\]Для Arduino Uno:
Для Raspberry Pi:
💻 Языки программирования роботов:
Arduino IDE (C/C++):
1// Пример управления сервоприводом
2#include <Servo.h>
3
4Servo myServo;
5int distance = 0;
6
7void setup() {
8 myServo.attach(9); // Подключение к порту 9
9}
10
11void loop() {
12 distance = readUltrasonic(); // Чтение датчика
13
14 if (distance < 20) {
15 myServo.write(90); // Поворот сервопривода
16 } else {
17 myServo.write(0); // Возврат в исходное положение
18 }
19
20 delay(100); // Задержка 100 мс
21}
Python на Raspberry Pi:
1import RPi.GPIO as GPIO
2import time
3
4# Настройка пинов
5motor_pin = 18
6sensor_pin = 24
7
8GPIO.setmode(GPIO.BCM)
9GPIO.setup(motor_pin, GPIO.OUT)
10GPIO.setup(sensor_pin, GPIO.IN)
11
12# ШИМ для управления мотором
13pwm = GPIO.PWM(motor_pin, 1000) # 1 кГц
14pwm.start(0)
15
16while True:
17 if GPIO.input(sensor_pin):
18 pwm.ChangeDutyCycle(75) # 75% мощности
19 else:
20 pwm.ChangeDutyCycle(0) # Остановка
21
22 time.sleep(0.1)
🔧 Архитектуры программного обеспечения:
Простая последовательная архитектура:
11. Чтение датчиков
22. Принятие решения
33. Управление актуаторами
44. Задержка
55. Переход к пункту 1
Многозадачная архитектура:
1Задача 1: Чтение датчиков (10 Гц)
2Задача 2: Управление движением (50 Гц)
3Задача 3: Связь с оператором (1 Гц)
4Задача 4: Контроль безопасности (100 Гц)
🎯 Техническое задание: Спроектировать систему управления для транспортного робота-курьера, работающего в офисном здании
📋 Требования к роботу:
👥 Организация работы:
🔧 Этапы разработки:
1. Анализ задач робота (3 минуты):
2. Выбор датчиков и актуаторов (4 минуты):
3. Проектирование архитектуры (5 минут):
4. Создание схемы (3 минуты):
🗂️ Структура схемы системы управления:
1┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
2│ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РОБОТА-КУРЬЕРА │
3├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
4│ │
5│ 📡 ДАТЧИКИ (ВХОДЫ) 🧠 КОНТРОЛЛЕР ⚙️ АКТУАТОРЫ │
6│ │
7│ □ ________________ ┌─────────────┐ □ _____________ │
8│ □ ________________ ──► │ │ ──► □ _____________ │
9│ □ ________________ │ │ □ _____________ │
10│ □ ________________ │ │ □ _____________ │
11│ □ ________________ │ │ □ _____________ │
12│ └─────────────┘ │
13│ │
14│ 📱 ИНТЕРФЕЙСЫ 🔄 АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ │
15│ │
16│ □ ________________ 1. ________________________ │
17│ □ ________________ 2. ________________________ │
18│ □ ________________ 3. ________________________ │
19│ 4. ________________________ │
20│ 5. ________________________ │
21└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
📝 Рекомендуемые компоненты:
Датчики навигации:
Система движения:
Связь и индикация:
⚡ Энергетический баланс:
Потребители энергии:
1Двигатели движения: 2 × 5 Вт = 10 Вт
2Контроллер и датчики: 5 Вт
3Связь и индикация: 2 Вт
4Резерв: 3 Вт
5─────────────────────────────
6Общее потребление: 20 Вт
Расчет аккумулятора: \[E_{\text{акк}} = P \times t \times k_{\text{запас}}\]
\[E_{\text{акк}} = 20 \text{ Вт} \times 8 \text{ ч} \times 1.5 = 240 \text{ Вт⋅ч}\]Вычислительная производительность:
Задачи реального времени:
Требования к контроллеру: \[f_{\text{проц}} > \sum f_{\text{задач}} \times k_{\text{сложн}} \times k_{\text{запас}}\]
\[f_{\text{проц}} > (50 + 20 + 1 + 0.1) \times 1000 \times 2 = 142.2 \text{ МГц}\]Вывод: Подходит ESP32 (240 МГц) или Raspberry Pi
⏱️ Регламент выступлений:
📊 План презентации:
1. Концепция робота (20 сек):
2. Техническое решение (30 сек):
3. Инновации и преимущества (10 сек):
📈 Шкала оценивания (25 баллов максимум):
Техническая корректность (8 баллов):
Полнота проекта (6 баллов):
Инновационность (5 баллов):
Качество презентации (6 баллов):
🔧 Технические аспекты:
⚙️ Инженерные решения:
🧠 Что мы изучили о системах управления:
🛠️ Практические навыки проектирования:
💡 Понимание компромиссов в инженерии:
🎯 Оцените свое понимание (1-5 баллов):
⚙️ Принципы систем управления: ⭐⭐⭐⭐⭐ 🔄 Разомкнутые и замкнутые системы: ⭐⭐⭐⭐⭐ 📡 Сигналы и интерфейсы роботов: ⭐⭐⭐⭐⭐ 🛠️ Проектирование систем управления: ⭐⭐⭐⭐⭐
🎨 Творческое мышление в проекте:
💭 Размышления о проекте:
🔮 Направления углубленного изучения:
🛠️ Практические проекты:
1. Примеры систем управления Составить таблицу с примерами разомкнутых и замкнутых систем управления:
| Система | Тип | Входные сигналы | Выходные сигналы | Обратная связь |
|---|---|---|---|---|
| Пример: Утюг с терморегулятором | Замкнутая | Уставка температуры | Включение нагревателя | Датчик температуры |
Необходимо привести минимум 5 примеров каждого типа
2. Доработка проекта Завершить схему системы управления робота:
3. Исследование “Системы управления в быту” Проанализировать одно бытовое устройство с системой управления:
Структура исследования:
4. Проект робота-манипулятора Разработать систему управления для робота-манипулятора:
Проект 1: “Сравнительный анализ контроллеров” Исследовать различные типы контроллеров для роботов:
Проект 2: “Алгоритмы автономной навигации” Изучить методы автономного перемещения роботов:
Проект 3: “Искусственный интеллект в робототехнике” Исследовать применение ИИ в системах управления:
⚙️ Системотехнические знания:
🧠 Алгоритмическое мышление:
🛠️ Проектные навыки:
🎯 Ключевые выводы урока:
“Система управления - это мозг робота, который превращает информацию в разумные действия”
“Обратная связь позволяет роботу учиться на своих ошибках и повышать точность”
“Выбор контроллера определяет возможности и ограничения всей системы”
🔮 Тренды развития систем управления:
💭 Техника “Робот будущего”: Представьте робота через 20 лет:
🔬 Вопросы для размышления:
🔮 Следующий урок: “Программирование автономного поведения роботов”
🎯 Готовимся к новым вызовам:
⚙️ ВЫ СТАЛИ АРХИТЕКТОРАМИ УМНЫХ СИСТЕМ!
Теперь вы понимаете, как создавать мозг робота и заставлять его думать и действовать разумно!