תכנות בקר ארדואינו
Arduino
שיטות הנעה של רכב רובוטי
רכב רובוטי נדרש לבצע משימה מסוימת. בהתאם למשימה עלינו להתאים לו המערכת הנעה - זה שילוב המנועים והבקרה המתאימה שתאפשר לו לנוע בשטח בו הוא פועל.
ישנם רובוטים שמיועדים לנוע על רצפה ישרה עשויה מחומר מסויים, וישנם רכבים מיועדים לנוע בתוואי שטח עם בליטות וחורים אשר מאתגרים את מערכת ההנעה של הרכב ולכן יש לדאוג לתכנן מערכת תאימה.
יש להבחין בין הנעה והיגוי. הנעה גורמת לתנועה של הרובוט, בעוד היגוי מאפשר לרובוט להסתובב לצדדים או לשנות את כיוון נסיעתו.
בעמוד זה נסקור מערכות הנעה שונות וננסה להדגיש את היתרונות והחסרונות של כל אחת והתאמתה למשימות שונות:
הנעה סינכרונית -
זו הנעה הדומה מאוד לאופן בו נעה רכבת על מסילה. יש מנוע אחד אשר גורם לגלגלים להסתובב, ומניע את הרכבת קדימה או אחורה בלבד. התנועה על המסילות לא דורשת יכולת היגוי מכיוון שמעבר בין מסילות נעשה על ידי גורם חיצוני שמזיז את המסילה. ברכב רובוטי ניתן ליישם הנעה כזו למשל עם מנוע DC שציר ההנעה שלו יוצא משני צידיו ואליהם מחוברים גלגלים כמו שרואים בתמונה:
הרכב בתמונה מורכב משני מנועים, לכל מנוע מחוברים שני גלגלים. הרכב יכול ליסוע קדימה ואחורה בלבד.
הנעה דיפרנציאלית
משמעות המילה דיפרנציאלית היא שוני בין תנועה של המנועים. הנעה דיפרנציאלית מאפשרת לתנועה בצד אחד (למשל צד ימין) של הרכב להיות שונה מהתנועה בצד השני (למשל צד שמאל) ובגלל ההבדלים בתנועה אנחנו מקבלים תנועה של פניות לימין או לשמאל.
להלן מספר אפשרויות בסיסיות למערכת היגוי דיפרנציאלית:
1. הנעה קידמית או אחורית
בתמונה ניתן לראות שני מנועים מחוברים, כל אחד, לגלגל. עובדה זו מאפשרת למנוע אחד להסתובב במהירות וכיוון שונה מאשר המנוע השני וכך מתקבלת הדיפרנציאליות.
בקידמת הרכב (או באחוריו) נמצא גלגל חופשי שלא מונע על ידי מנוע. הוא נותן לרכב יציבות וגם מאפשר תנועות שונות בהתאם לסיבובי המנועים. בתמונה מופיע גלגל שדומה לגלגלים בעגלת הסופר, אך ישנם גם ישומים עם גלגל שהוא גולה (כדור בתוך בית) שמאפשרת אותן תנועות.
כאשר שני המנועים מסתובבים באותו כיוון הרכב ינוע קדימה או אחורה. כאשר יש הבדל בין מהירויות הגלגלים נקבל פניות. למשל: אם גלגל ימין עוצר ורק גלגל שמאל נע קדימה נקבל פניה לימין, ולהיפך. אם שני הגלגלים יסתובבו באותה מהירות אך בכיוון הפוך נקבל סיבוב במקום.
2. הנעה מרכזית
דומה מאוד להנעה קידמית/אחורית עם הבדל יחיד של תוספת גלגל חופשי בקצה השני של הרכב. באמצע השילדה יהיו שני המנועים עם הגלגלים ובקצוות הגלגלים החופשים. תוספת גלגל כזו נותנת יציבות במצבים שמרכז הכובד לא במרכז הגיאומטרי של הרכב דבר שיכול לגרום להתהפכות בטיפוס העליה או במדרון.
3. הנעת זחלים - טנק
כאשר נדרש יכולת עבירות של הרכב בתוואי שטח עם בליטות וחורים לרוב נמצא רכבים שמונעים כמו טנק. שיטת הנעה זו מבוססת על שימוש בשני מנועים אשר מניעים שרשרת (זחל) - כל מנוע שולט בשרשרת אחת. יתרון ראשון הוא שטח המגע של השרשרת עם הקרקע הרבה יותר גדול מאשר גלגלים רגילים ולכן יש לו יותר חיכוך עם הקרקע שמייצר את התנועה. ההנעה היא דיפרנציאלית, כך שכל זחל יכול לנוע במהירות שונה ובכיוון שונה. הזחל מאפשר סיבוב במקום. החסרון המרכזי הוא תחזוקה. הזחל סובל גם את עומס הרכב וגם את תוואי השטח ולכן הוא יכול להתפרק בעומס קיצוני. כדי להשיג הנעה מיטבית יש לשמור על מתיחות של הזחל, דבר שמהווה אתגר תכנוני של מיקום הגלגלים ומימדי חוליית זחל.
יצירת כיוון תנועה רצוי עם זחלים זהה למנגנונים שהוצגו קודם.
4. הנעת גלגלים אומניים
אחד החסרונות של מערכות ההנעה שסקרנו עד כה הוא יכולת תמרון מוגבלת - סיבוב ברדיוס שתלוי במימדי הרכב ומיקום הגלגלים - מגבלה זו יכולה להיות בעיתית במשימות ניווט של רכב באזורים צפופים.
אחד הפתרונות למגבלה זו הוא שימוש בגלגלים אומניים (Omni). גלגלים אלה מכילים גלילים קטנים שיכולים להסתובב בניצב לסיבוב הגלגל הגדול. סיבוב רגיל של הגלגל יצור תנועה בכיוון הסיבוב, אך שילוב של מספר גלגלים אומניים (3-4) בכיוונים שונים מאפשרים תנועה בכל כל מיני כיוונים ללא צורך לסובב את הרובוט לכיוון התנועה הנדרשת.
ניתן לשלב 3 או 4 גלגלים אומניים ליצירת תנועה בכיוונים שונים. לפניכם שתי סכימות המראות את שילובי כיווני הסיבוב של הגלגלים כדי ליצור כיווני תנועה: החץ המופי ליד כל גלגל מראה את כיוון סיבוב הגלגל ואילו החץ במרכז הרכב מראה את כיוון תנועת הרכב בהתאם.
5. גלגלי מכאנום
גלגלי מכאנום (mechanum) דומים מאוד באופן הפעולה לגלגלים אומניים. ההבדל המרכזי הוא כיוון הגלילים הקטנים שמורכבים בתוך הגלגל הגדול. בגלגלים מכאנום הגלילים הקטנים מורכבים בזוית 45 מעלות יחסית לציר הגלגל. הזוית של הגלילים מקלה עוד יותר על התמרון וגם על יעילות התנועה.
כדי ליישם את יכולות התמרון של הרכב יש לתת כיווני סיבוב שונים לכל גלגל כדי לממש תנועה בכיוון רצוי. לפניכם טבלה המראה איך יש לסובב כל גלגל ברכב עם 4 גלגלי מכאנום כדי לנוע בכיוונים השונים: החץ ליד כל גלגל מראה את כיוון הסיבוב של הגלגל ואילו החץ במרכז הרכב מראה את כיוון תנועת הרכב המתקבל.
6. היגוי בשיטת אקרמן
שיטת ההיגוי הכי נפוצה בכל כלי הרכב כיום נקראת שיטת אקרמן. לפי שיטה זו אנו מטים את הגלגלים הקידמים בזוית מסויימת כדי לגרום לרכב לפנות לכיוון הרצוי. הגה הרכב מחובר דרך תמסורת אל מוט המחובר לשני הגלגלים הקידמיים. סיבוב ההגה גורם למוט לנוע לצד מסויים בהתאם. תנועת המוט גורמת לגלגלים לקבל נטייה יחסית לציר הסיבוב אליו מחובר הגלגל. בגלל שבמהלך נסיעת הרכב בפניה הגלגלים לא מסתובבים על אותה הקשת (הגלגל הפנימי על קשת קטנה יותר ואילו החיצוני על קשת גדולה יותר, הגלגלים מקבלים הטייה בזוית מעט שונה כדי שיבצעו פניה תוך כדי גלגול וללא החלקה
ברכב רובוטי אין לנו יכולת לסובב את ההגה בפניות ולכן ניתן לחבר מנוע סרוו אל המוט שמטה את הגלגלים. מנוע הסרוו מקבל פיקוד בשלט רחוק ונע ימינה או שמאלה בהתאם לכיוון הפניה הרצוי. ברכב כזה יהיה לנו מנוע אחד (בד"כ מאחור) שמניע את שני הגלגלים האחוריים) ומנוע סרוו מקדימה להיגוי.
מכל המערכות שהוצגו עד כה , זה המנגון הכי מוכר אך הכי מורכב לישום.