Глава 14. Блок слежения

Для системы Бастер I было характерно управление машиной в соответствии с состояниями четырех двоичных управляющих переключателей. Отличительной чертой системы Бастер II является наличие режима автоматического отъезда от препятствий и акустическая линия связи. Заключительная часть описываемой программы Бастер III характеризуется различными действиями слежения.

Слежение в том виде, в котором оно используется в программе Бастер, представляет собой следующий большой шаг в превращении электронно-механической системы в создание, подобное животному. Слежение дает Бастеру способность выбрать определенную цель и стремиться к ней, используя все имеющиеся возможности. Когда же Бастер достигает выбранной цели, его действия определяются типом цели и причинами, по которым он к ней стремился.

В следующих главах, содержащих материал по системе Бастер III, описываются два конкретных действия слежения: поиск зарядного устройства, когда Бастеру угрожает разрядка аккумуляторов, и движение по полу вдоль белой линии. Некоторые дополнительные действия слежения рассматриваются в главе, посвященной дальнейшим усовершенствованиям Бастера III.

Ради экономии и простоты одни и те же схемы используются во всех следящих режимах Бастера III. Цель, которую выбирает Бастер, и его действия для ее достижения определяются отдельными платами. Эта глава посвящена описанию общей схемы слежения; для завершения программы Бастер III потребуются по меньшей мере две такие схемы.

Работа блока слежения

Слежение состоит из следующей общей последовательности: поиск конкретной цели, слежение за ней и определенное действие при достижении цели. Если Бастер потеряет цель, не успев достигнуть ее, он должен быть в состоянии отыскать ее снова и возобновить слежение.

Режим слежения начинается с того, что Бастер сначала ищет цель, медленно поворачиваясь вправо. Он кружится до тех пор, пока не установит направление на цель. Это начальное действие называется режимом широкого поиска (BS - broad search).

Обнаружив цель, Бастер стремится прямо к ней. Этот режим прямой видимости (ACQ - acquisition) заканчивается либо достижением цели, либо потерей ее из виду по дороге.

Если во время движения Бастер потеряет цель из виду, он сразу переходит в специальный поисковый режим - так называемый режим среднего поиска (MS - medium search). В этом режиме Бастер продолжает двигаться вперед (в среднем), но он делает поисковые движения налево (left) и направо (right). Если за время порядка 16 с цель снова будет обнаружена, система вернется в режим прямой видимости и Бастер вновь помчится прямо вперед. Если же за 16 с поиска в режиме MS Бастер не сможет найти потерянную цель, он автоматически возвращается в режим широкого поиска до тех пор, пока цель не будет обнаружена.

Когда Бастер достигает поставленной цели - это состояние фиксируется отдельным блоком, который задал цель, - он реагирует соответствующим образом. Этот режим называется режимом контакта (CON).

После того как действия слежения заданы, они выполняются полностью автоматически. При необходимости оператор может вмешаться, подав Бастеру команду по линии акустической связи или изменив обстановку, но обычно важнее дать Бастеру возможность сделать все самому.

Некоторые действия слежения можно запустить вручную, но после этого Бастер имеет приоритет.

Принцип работы

Как видно из блок-схемы блока слежения, приведенной на рис. 14.1, этот блок состоит из двух печатных плат - платы управления слежением и платы шифратора. Плата управления составляет основу блока - она формирует все временные интервалы, их последовательность и выполняет логические операции. Плата шифратора служит для преобразования выходных сигналов платы управления в 4-разрядные двоичные управляющие слова, совместимые с системой управления движением и поворотом.

Рис. 14.1. Общая схема соединений в блоке слежения

Обратите внимание, что на плату управления поступает только три входных сигнала. Эти входы соединяются со схемами сопряжения, такими, как поиск "пищи" и прослеживание линии, которые описываются далее в программе Бастер III. В любом случае на входе Tf нормально низкий уровень (О В), во время работы блока слежения на этом входе появляется высокий уровень В. На входах ACQ и CON нормально поддерживается низкий уровень, который сменяется высоким при наступлении соответствующего состояния.

Выходные сигналы платы управления слежением отражают текущий режим работы - BS, GO, CR и два состояния в режиме MS - MSR и MSL. Плата шифратора переводит состояния выходных сигналов платы управления в 4-разрядные управляющие слова, которые через схемы селектора команд поступают на вход дешифратора команд движения и поворота. В столбцах "режим" и "состояние на выходе" табл. 14.1 собраны команды на выходе платы шифратора в основных режимах слежения.

Таблица 14.1. Таблица истинности блока слежения

Примечание: действие в состоянии CR задается внешним образом. Соответствующая реакция зависит от конкретной цели.

Плата управления слежением

Схема платы управления приведена на рис. 14.2, а основные логические уравнения - в табл. 14.2, А. Важно заметить из логических уравнений работы платы управления слежением, что режимы BS и MS различаются лишь состоянием Q. Этот сигнал является выходом триггера FF1. Когда этот триггер сброшен, на выходе Q высокий уровень, а на Q - низкий. В этих условиях потеря цели из виду () и отсутствие сигнала о достижении цели () вызывают переход в режим широкого поиска BS. Если, однако, триггер FF1 был каким-либо образом установлен, на его выходе Q противоположный сигнал и потеря цели приводят к переходу в режим среднего поиска MS. Таким образом, сигнал Q играет важнейшую роль в работе логической платы управления слежением; сброс и установка триггера FF1 подробно описываются далее в этой главе.

Рис. 14.2. Схема платы управления слежением. ИС1 - сдвоенный ждущий мультивибратор 74123, ИС2 - сдвоенный J-K - триггер 7473, ИС3 - сдвоенный таймер 556, ИС4 - 6-НЕ 7404, ИС5 - Э-3И-НЕ 7410, ИС6 - 4-2И-НЕ 7400

Заметьте также в табл. 14.2, что сигнал CR появляется всякий раз при контакте с целью вне зависимости от состояния триггера FF1. Точно так же сигнал GO имеет приоритет по отношению к состояниям FF1, когда цель видна, но еще не достигнута.

Таблица 14.2. Логические уравнения работы блока управления слежением

Плата управления слежением включает в себя два таймера 555. На плате устанавливается микросхема 556, которая фактически представляет собой два таймера 555 в одном корпусе. Таймер Т1 включен по схеме таймера со сбросом, установленного на время порядка 16 с. Он определяет время, в течение которого Бастер будет пытаться найти потерянную цель, прежде чем опять перейти в режим широкого поиска. Работа этого таймера будет описана более подробно в связи со схемой FF1.

Второй таймер микросхемы 556 включен по схеме мультивибратора- генератора симметричных прямоугольных колебаний с периодом около 6 с. Этот генератор работает непрерывно, но лишь в режиме MS его выходной сигнал поступает на выходы платы управления. Такой управляемый генератор необходим для управления левым и правым поворотами во время поиска цели в режиме MS.

Во всех режимах, кроме MS, на выходе MSR высокий уровень, а на выходе MSL - низкий. В режиме MS выходные состояния MSL и MSR меняются с частотой генератора F2; при высоком уровне на выходе MSR Бастер поворачивает вправо, а при высоком уровне на выходе MSL -влево.

Обсудим более подробно работу триггера FF1. Его входы J и К подключены к шине +5 В и земле. При таком подключении входов выходное состояние триггера полностью определяется состояниями входов синхронизации и сброса CLK и CLR. Так как эти входы соединены с выходами схем запуска TGI и TG2, выходное состояние FF1 определяется этими схемами.

TG1 и TG2 - отдельные схемы, содержащиеся в корпусе микросхемы сдвоенного ждущего мультивибратора. Внешние компоненты выбраны таким образом, чтобы при выполнении условий запуска (положительный фронт на входе В или отрицательный фронт на входе А) обе схемы выдавали импульс длительностью 5 мс. Для Бастера это означает следующее: TG1 выдает импульс, когда на входе T_f появляется высокий уровень (запускается действие слежения) или в режиме MS истекает временной интервал, задаваемый таймером F1, а цель не обнаружена. Аналогично TG2 генерирует 5-миллисекундный импульс при внезапной потере цели из виду или контакте с целью.

В качестве примера предположим, что блок слежения только начал работу. Положительный фронт сигнала T_f, запускающего слежение, запускает TG1, на выходе которого Q появляется 5-миллисекундный отрицательный импульс. Этот импульс сбрасывает триггер FF1, благодаря чему в начале работы системы на выходе Q низкий уровень, а на выходе Q высокий. Если предположить, что в этот начальный момент цель не достигнута и не обнаружена, видно, что для режима широкого поиска BS логические условия выполняются (см. логические уравнения BS в табл. 14.2, А).

После этого система будет находиться в режиме BS до тех пор, пока цель не будет обнаружена или достигнута. Наиболее вероятно, что сначала она будет обнаружена. При появлении высокого уровня на входе ACQ, сигнализирующего об обнаружении цели, логические условия изменяются таким образом, что система переходит в режим GO. Этот сигнал не окажет влияния на ждущий мультивибратор TG2, так как он реагирует лишь на отрицательный фронт на входе А.

Блок слежения будет находиться в режиме GO до тех пор, пока цель не будет потеряна из виду или достигнута. Наиболее вероятным событием является внезапная потеря цели из виду. При этом отрицательный фронт на входе А мультивибратора TG2 вызывает 5-миллисекундные импульсы на выходах мультивибратора Q и Q. Положительный импульс с выхода Q поступает на вход синхронизации триггера FF1, изменяя его состояние: теперь на выходе Q высокий уровень, а на выходе Q низкий. Логические условия выполняются для режима MS.

В то время как положительный импульс устанавливает триггер FF1, переводя систему в режим MS, отрицательный импульс на выходе Q запускает таймер F1, установленный на 16 с. Если за это время цель будет найдена снова, система автоматически переходит в режим GO, причем истечение 16-секундного интервала не окажет на систему никакого действия. С другой стороны, если за это время цель не будет обнаружена, задний фронт импульса таймера F1 попадет на вход А ждущего мультивибратора TG1, который выдаст короткий импульс и снова сбросит триггер FF1. Сброс этого триггера переводит в исходное состояние всю систему слежения и устанавливает логические условия, соответствующие режиму широкого поиска BS.

Реакция на сигнал достижения цели описывается той же последовательностью действий. Единственное существенное различие между реакциями на входные сигналы ACQ и CON состоит в том, что сигнал CON переводит систему в режим CR, а не в режим GO. Назначение режима CR описывается в следующем разделе.

Плата шифратора

Плата шифратора выполняет логические операции, приведенные в табл. 14.2, В. Она принимает выходные сигналы платы управления слежением и преобразует их в стандартные 4-разрядные управляющие слова. Как видно на рис. 14.1, выходные сигналы платы шифратора Т поступают на соответствующие входы одного из каналов селектора команд. Поступающий на вход платы управления слежением сигнал T_f поступает также на вход платы селектора команд Gd. Таким образом высокий уровень на шине T_f не только запускает действие слежения, но и коммутирует соответствующим образом селектор команд.

Схема платы дешифратора приведена на рис. 14.3. Она содержит несколько сигналов, задаваемых с помощью перемычек. Эти сигналы поступают на шифратор только тогда, когда плата управления выдает сигнал CR, который означает, что цель достигнута. Четыре перемычки на входах ИС1 соответствуют членам С в табл. 14.2, В. С их помощью экспериментатор может задать наиболее подходящую реакцию Бастера на достижение цели.

Рис. 14.3. Схема платы шифратора. ИС1, 3-4-2И-НЕ 7400, ИС2 - 3-3И-НЕ 7410

Предположим, вам хочется, чтобы, достигнув цели, Бастер останавливался. В этом случае следует задать управляющее слово 1000 (FSTO), так что на С₈ нужно подать +5 В, а входы С₄, С₂ и С₁ закоротить на землю. Теперь всякий раз, когда плата управления слежением будет выдавать сигнал CR, на вход дешифратора команд движения и поворота от блока слежения будет поступать команда 1000.

Сборка и настройка блока слежения

Для плат управления слежением и шифратора можно использовать платы с односторонним покрытием размером 100 X 150 мм. Что касается расположения элементов, то важно лишь разместить переменные резисторы R3, R5 и R6 на плате управления таким образом, чтобы до них можно было достать для настройки длительности таймеров F1 и F2. Из-за большого числа микросхем и дискретных элементов на плате управления эта плата является наиболее трудной из всех плат Бастера. Я спроектировал три варианта, и ни один не выглядел как следует. Возможно, стоит несколько перепланировать платы, чтобы все вентили размещались на плате шифратора. Это уменьшает число микросхем на плате управления на 3, а добавочные соединения между платами не слишком усложнят простой рисунок печатной платы шифратора.

Соберите и соедините друг с другом две платы блока слежения, руководствуясь схемой соединений на рис. 14.1. Хотя разводка входных и выходных сигналов будет осуществляться позднее, таймеры на плате управления можно настроить уже сейчас.

Для настройки F2 подключите к его выходу (вывод 3-5) вольтметр и поверните R5 и R6 до конца против часовой стрелки. Генератор должен работать с максимальной частотой - около 0,5 Гц. Поверните оба потенциометра по часовой стрелке примерно на ¹/₈ оборота и заметьте частоту. Поочередно вращайте потенциометры до тех пор, пока вольтметр не станет показывать +5 В в течение 4 с и 0 в течение 4 с.

Для регулировки длительности таймера F1 подайте на вход Tf +5 В, а вход CON закоротите на землю. Временно подключите резистор номиналом 4,7 кОм между входом ACQ и землей. Затем подсоедините вольтметр постоянного тока к выходу F1 (вывод 3-9). Показания вольтметра должны быть близки к нулю.

Теперь соедините со входом ACQ провод и, следя за показаниями вольтметра, соедините свободный конец провода с шиной +5 В. В момент контакта показания вольтметра не должны измениться. Но когда перемычка будет отсоединена от +5 В, вольтметр должен показать бросок напряжения амплитудой +5 В. Длительность этого выброса зависит от положения R3. Заметив, как долго на выходе таймера держится напряжение +5 В, регулируйте R3, подсоединяя и отрывая перемычку до тех пор, пока таймер не станет выдавать положительный импульс в течение 16 с.

Остальные проверки и программирование платы шифратора отложим до следующей главы, где блок слежения будет запущен в работу.