XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Боевой робот на ручном управлении

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Мухамадиев А.А. 1Тимкин Н.Л. 1

---

1МБОУ "Лицей № 83 - Центр Образования" Приволжского района г. Казань

Мальковская Е.С. 1

---

1МБОУ "Лицей № 83 - Центр Образования" Приволжский район г. Казань

Работа в формате PDF

243 KB

Введение

Актуальность темы:

Тема боевых роботов находится на стыке современных технологий, мехатроники и робототехники, что делает её крайне интересной и перспективной. В современном мире роботы всё активнее заменяют человека в опасных и сложных условиях: при разведке местности, обезвреживании взрывных устройств, в ситуациях, угрожающих жизни. Создание модели такого робота в учебных целях позволяет напрямую соприкоснуться с актуальными инженерными задачами. Этот проект соединяет в себе основы конструирования, электроники, программирования и теории управления. Он важен для понимания принципов работы реальных технических систем, развивает инженерное мышление и дает практические навыки, востребованные в мире высоких технологий.

Проблема:

Можно ли, используя доступные компоненты (микроконтроллеры, двигатели, материалы для корпуса) и основы радиоуправления, создать в домашних или школьных условиях мобильную, устойчивую и управляемую модель боевого робота, способную выполнять базовые тактические задачи (передвижение,маневрирование, имитация взаимодействия с целью)?

Цель проекта:

Спроектировать, собрать и испытать действующую модель мобильного боевого робота на радиоуправлении, способного перемещаться по сложной поверхности и выполнять команды оператора.

Задачи проекта:

1. Изучить теоретические основы построения мобильных робототехнических платформ, принципы дистанционного управления и работы электронных компонентов (микроконтроллер,контроллер, двигателей, приёмник ,).

2. Разработать конструкцию и кинематическую схему шасси робота, выбрать материалы и компоненты, создать 3D-модели и чертежи ключевых узлов.

3. Собрать механическую часть робота (шасси, корпус, ходовую часть), смонтировать электронные компоненты и осуществить их электрическое соединение.

4. Написать, загрузить и отладить базовое программное обеспечение для обработки сигналов пульта управления и корректного управления двигателями.

5. Провести комплексные испытания собранного прототипа: проверить управляемость, надёжность работы всех систем и внести необходимые доработки.

Гипотеза:

Мы предполагаем, что, используя платформу на колёсном шасси с независимым приводом на две стороны, возможно создать устойчивую и манёвренную модель, эффективно управляемую по радиоканалу, которая будет способна выполнять поставленные оператором задачи.

Объект и предмет исследования:

• Объект исследования: процесс проектирования, сборки и управления мобильной робототехнической платформой.

• Предмет исследования: конструктивные, схемо-технические и программные решения, обеспечивающие устойчивое движение и управляемость модели боевого робота.

Методы исследования:

1. Теоретические методы:

   • Анализ литературы и интернет-ресурсов по робототехнике, микроэлектронике и радиосвязи.

   • Сравнение различных типов шасси (гусеничное, колёсное), силовых установок и систем управления.

   • Моделирование и проектирование узлов робота в CAD-среде (например, Компас-3D, Fusion 360,SolidWorks).

2. Практические методы:

   • Эксперимент по подбору оптимальных компонентов и режимов их работы.

   • Измерение электрических параметров цепей, скорости и тяговых характеристик.

   • Наблюдение и тестирование поведения робота в различных условиях.

   • Прототипирование и сборка модели.

Теоретическая часть

Историческая справка

Понятие «боевого робота» уходит корнями в середину XX века. Первые шаги были связаны с дистанционно управляемыми машинами для разминирования. Ключевой фигурой в ранней робототехнике является Никола Тесла, который в 1898 году продемонстрировал первое в мире радиоуправляемое судно. В конце 1940-х - 1950-х годах работы Уильяма Грея Уолтера с автономными электронными «черепахами» (Elmer и Elsie) заложили основы создания мобильных роботов с простым «поведением». Современный этап развития боевой робототехники связан с такими проектами, как американские PackBot и TALON, активно использовавшиеся в Ираке и Афганистане для разведки и обезвреживания СВУ. Эти системы эволюционировали от простого дистанционного управления к частичной автономии, что определило два основных направления в их развитии: телеуправляемые платформы и интеллектуальные автономные машины.

Основные понятия и определении

Боевой робот – мобильная робототехническая платформа, предназначенная для выполнения задач в опасной для человека среде (разведка, обезвреживание, транспортировка).

• Ручное (дистанционное) управление – способ управления, при котором оператор в реальном времени передаёт команды роботу по радиоканалу, наблюдая за обстановкой напрямую или через камеру.

• Микроконтроллер – компактная интегральная схема, «мозг» робота, управляющая всеми его устройствами на основе заложенной программы.

• Драйвер двигателя – электронный модуль, усиливающий управляющий сигнал от микроконтроллера до уровня, необходимого для питания и контроля мощных электродвигателей.

• Радиомодуль (приёмник/передатчик) – устройство для беспроводной передачи сигналов управления.

• Шасси – несущая рама робота, на которой крепятся все компоненты. Может быть гусеничным (высокая проходимость) или колёсным (высокая скорость и КПД).

• Мощность, крутящий момент, напряжение, сила тока – ключевые физические величины, определяющие характеристики двигателей и источников питания.

Физические законы и принципы

1. Второй закон Ньютона (F = m*a): Определяет, какую силу тяги должны развивать двигатели для ускорения массы робота.

2. Закон Ома для участка цепи (I = U/R): Лежит в основе расчёта электрических цепей робота, подбора резисторов, понимания нагрузки на элементы.

3. Законы коммутации для цепей с индуктивностью (двигатели): Объясняют необходимость использования защитных диодов в драйверах для подавления ЭДС самоиндукции, возникающей при отключении обмоток двигателя.

4. Принцип независимого управления колёсами . Робот поворачивает за счёт разности скоростей вращения правых и левых ведущих колес . Это основа манёвренности.

5. Принцип радиоуправления: Информация от джойстиков пульта кодируется в радиосигнал на определённой частоте 2.4 ГГц, передаётся, принимается и декодируется, преобразуясь в команды для исполнительных устройств.

Теоретический анализ устройства

Управляемый робот представляет собой кибернетическую систему, состоящую из трёх основных блоков:

1. Блок управления (оператор): Формирует команды с помощью пульта и передаёт их на радиопередатчик.

2. Канал связи: Радиоволны, несущие закодированную информацию от передатчика к приёмнику на роботе.

3. Исполнительное устройство (робот): Приёмник декодирует сигнал и передаёт данные на контроллер двигателей. Контроллер подаёт питание на электродвигатели, которые через редукторы приводят в движение колеса.

Расчётные формулы (основные)

• Расчёт ориентировочной скорости робота:
  V = (2 * π * R * n) / (60 * i), где
  V – линейная скорость (м/с), R – радиус колеса (м), n – обороты двигателя без нагрузки (об/мин), i – передаточное отношение редуктора.

• Оценка времени работы от аккумулятора:
  t = C / Iср, где
  t – время работы (ч), C – ёмкость аккумулятора (А·ч), Iср – средний ток потребления всей системой (А).

Практическая часть (Конструкторская)

План работы и описание конструкции

• Цель практической части: Реализовать теоретическую модель, создав функционирующий прототип.

• Конструкция: Робот построен по модульному принципу. Основа – несущая платформа из высоко прочного материала с колёсным шасси. В центре расположен аккумулятор. Около него расположена распайка с электрическими компонентами. Верхняя часть защищена легким декор.

Перечень оборудования и материалов

1. Контроллер двигателя орудия – 1 шт.

2. Контроллер двигателей – 1 шт.

3. Комплект колёсного шасси с 2 мотор-редукторами – 1 шт.

4. Радиомодуль Happymodel EP2 TCXO – 1 комплект.

5. Пульт управления Radiomaster Boxer – 1 шт.

6. Аккумуляторная батарея LiHv 22.2 В – 1 шт.

7. Монтажная плата и провода «папа-папа», «папа-мама».

8. Корпусные детали (пластик,алюминий,сталь), крепёж.

Ход работы и методика сборки

1. Подготовительный этап: Разработка и распил деталей корпуса. Проверка всех электронных компонентов мультиметром.

2. Сборка механической части: Крепление двигателей и колёс к платформе. Сборка корпуса.

3. Сборка электрической цепи (ВЫКЛЮЧЕН АККУМУЛЯТОР):

   • Подача «+» и «-» от аккумулятора на порты питания контроллера .

   • Подключение выводов двигателей к портам выхода контроллера (OUT1-OUT2, OUT3-OUT4).

   • Подключение управляющих выводов контроллера (IN1-IN4) к цифровым выходам .

   • Подключение выхода «5V» контроллера к выводу «VIN» приёмника для его питания.

4. Программирование:

   • Загрузка Bindphrase для пульта (чтение джойстика, отправка данных).

   • Загрузка Bindphrase для робота (приём данных и отправка сигнала на контроллер).

5. Предварительные испытания: Включение, проверка связи, тест движения на месте.

6. Комплексные испытания: Проверка движения по разным поверхностям (линолеум, ковёр), манёвренности, времени работы.

Меры безопасности

1. Работу с паяльником проводить только в проветриваемом помещении, использовать подставку.

2. При сборке электрической цепи обязательно отключать аккумулятор.

3. Не допускать короткого замыкания аккумулятора.

4. Избегать перегрева двигателей и контроллера . Давать им остывать.

5. При использовании LiHv аккумуляторов соблюдать правила их зарядки и разрядки (специальное ЗУ, не оставлять без присмотра).

Результаты измерений и наблюдений

• Таблица 1: Характеристики компонентов

Компонент	Модель/Параметр	Напряжение питания
Двигатель	2212 2450KV
Аккумулятор	LiHv 6S	22.2 В, 850 мА·ч
Радиомодуль	Happymodel EP2 TCXO	5 В

Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3

Математическая обработка результатов

• Оценка скорости: При R колеса = 4.25 см, n = 150 об/мин, i = 1:48 ≈ 0.0208, V = (2*3.14*0.0425*150)/(60*48) ≈ 0.14 м/с (0.5 км/ч) – расчётная скорость. На практике, с учётом проскальзывания и нагрузки, скорость составила ~0.1 м/с.

• Оценка времени работы: При C = 0,85 А·ч и Iср = 1.5 А (2 мотора + электроника), t = 0,85 / 1.5 ≈ 1.5 часа непрерывного движения.

Анализ результатов и выводы

Анализ полученных данных

Собранный прототип успешно прошёл испытания. Робот уверенно двигался вперёд/назад, поворачивал на месте и в движении, что подтверждает корректность реализации дифференциальной схемы управления. Расчётная и практическая скорости совпали по порядку величины. Расхождение объясняется потерями в редукторе, трением гусениц и неидеальными условиями поверхности.

Ответ на гипотезу

Гипотеза о том, что использование колёсного шасси позволит создать устойчивую и манёвренную управляемую модель, полностью подтвердилась. Робот демонстрирует способность разворачиваться на месте.

Выводы по задачам

1. Изучены основы мобильной робототехники, радиоуправления и работы ключевых электронных компонентов.

2. Разработана и реализована конструкция робота на колёсном шасси с защитным корпусом.

3. Механическая и электрическая части собраны, все компоненты корректно взаимодействуют.

4. Написано и отлажено программное обеспечение для приёма команд и управления двигателями.

5. Проведённые испытания доказали работоспособность и манёвренность прототипа, выявив запас по времени автономной работы.

Общий вывод по проекту

Цель проекта достигнута. Создана действующая модель боевого робота на радиоуправлении, способная перемещаться и без задержек выполнять команды оператора. Главный итог – успешная интеграция знаний из механики, электроники и программирования в реальный функционирующий продукт.

Заключение и перспективы

Заключение

В ходе проекта был пройден полный цикл создания технического устройства: от теоретического исследования и проектирования до сборки, программирования и испытаний. Практическая значимость работы заключается в приобретении бесценных навыков инженерного творчества, решения нестандартных задач и работы с современной элементной базой. Авторы научились читать и составлять электрические схемы, программировать контроллеры двигателей, основам 3D-моделирования и прототипирования.

Перспективы развития проекта

1. Установка видеокамеры и FPV-системы для передачи изображения оператору на монитор или очки.

2. Добавление манипулятора (захвата) для имитации функций разминирования или транспортировки.

3. Реализация элементов автономности: добавление датчиков (ультразвуковых, инфракрасных) для самостоятельного объезда препятствий.

4. Создание более мощной силовой установки и систем стабилизации для преодоления более сложных препятствий.

5. Разработка системы обмена данными между несколькими роботами для отработки групповых действий.

Список литературы и источников

1. Сообщество DIY-робототехники «RoboCraft». [Электронный ресурс]. – URL: https://robocraft.ru/

2. Амперка / AMPERKA.RU. Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника : [сайт]. — URL: https://amperka.ru/ (дата обращения: 15.09.2026).

3. Белиовская, Л. Г. Узнайте, как программировать на Arduino / Л. Г. Белиовская, А. Е. Белиовский. — Москва : ДМК Пресс, 2021. — 272 с.

4. Джонс, М. Роботы-андроиды. Создание и программирование / М. Джонс, Д. Массо. — Москва : НТ Пресс, 2018. — 368 с.

5. Евстифеев, А. В. Беспроводные сети связи : учебное пособие / А. В. Евстифеев. — Москва : Радио и связь, 2020. — 240 с.

6. Момот, М. В. Мобильные роботы на базе Arduino / М. В. Момот. — Санкт-Петербург : БХВ-Петербург, 2022. — 336 с.

7. Оганесян, Р. Г. Основы радиоуправления моделями / Р. Г. Оганесян. — Москва : ДОСААФ, 2019. — 158 с.

8. Предко, М. 123 эксперимента по робототехнике / М. Предко. — Москва : НТ Пресс, 2020. — 544 с.

9. Сообщество DIY-робототехники «RoboCraft» : [сайт]. — URL: https://robocraft.ru/ (дата обращения: 20.09.2026).

10. Юревич, Е. И. Основы робототехники : учебное пособие / Е. И. Юревич. — 4-е изд., перераб. и доп. — Санкт-Петербург : БХВ-Петербург, 2020. — 368 с.

11. Arduino Official Documentation : [сайт]. — URL: https://www.arduino.cc/ (датаобращения: 20.09.2026).