"Юный техник" №9 (2013)

Пятиместный среднеразмерный кроссовер Toyota Venza был представлен в январе 2008 года на автосалоне в Детройте. Модель позиционируется, как автомобиль для молодых семей, предпочитающих активный образ жизни.

Автомобиль оснащается 3,5-литровым двигателем V6 (268 л. с., 335 Н-м) с передним или полным приводом и новым 2,7-литровым двигателем с 4 цилиндрами. Трансмиссия 6-ступенчатая автоматическая. Версия Venza с 3,5-литровым двигателем стала первым серийным автомобилем Toyota, оснащенным 20-дюймовыми колесными дисками. Полный привод выполнен по схеме AWD, и при проскальзывании передних колес часть тяги передается на заднюю ось.

В России модель Venza с мотором V6 официально продаваться не будет. При этом

большая часть опций, доступных в США только в дорогих моделях, будет устанавливаться в базовой версии. В частности биксеноновые фары, качественная мультимедийная система и датчики парковки.

Технические характеристики Toyota Venza 2.7 2WD AT

Длина автомобиля… 4,801 м

Ширина… 1,905 м

Высота… 1,610 м

Колесная база… 2,775 с

Клиренс… 0,205 м

Снаряженная масса… 1,860 т

Объем двигателя… 2672 см3

Мощность… 185 л.с.

Максимальная скорость… 180 км/ч

Разгон до 100 км/ч… 9,4 с

Средний расход топлива… 9,2 л/100 км

Объем топливного бака… 67 л

АЗБУКА РОБОТОТЕХНИКИ

«Мускулы» робота

Все уже знают, что главное в роботе — это микропроцессор. Но сам он глух и нем, не умеет ни видеть, ни слышать, ни двигаться. Для того чтобы получить информацию об окружающем мире, ему нужны датчики-сенсоры, а чтобы выполнить определенные действия — исполнительные механизмы. О них мы и будем говорить, опираясь на учебник для образовательного набора «Амперка», о котором говорилось в «ЮТ» № 7 за 2013 год (см. репортаж о фестивале «РобоМИР»).

И сегодня начнем с двигателей.

Помните замечательную книжку Юрия Олеши «Три толстяка»? Механическая кукла наследника Тутти могла двигаться, открывать и закрывать глаза…

Конечно, «Три толстяка» — сказка. Тем не менее сотни лет назад в разных странах искусные механики строили механизмы, очень похожие на куклу Суок. Так, например, в начале XVIII века во Франции жил часовщик Жак де Вокансон. Но — странное дело! — он почти не принимал заказы на починку часов. Чем часовщик занимался? Однажды об этом узнали все соседи. Вокансон продемонстрировал им механического флейтиста — куклу, которая умела играть на флейте двенадцать музыкальных пьес. Затем Вокансон создал другого андроида-музыканта. Левой рукой тот играл на свирели, правой — на бубне, а кроме того, отняв свирель от губ, прищелкивал языком, по обычаю музыкантов тех мест. В 1738 году куклы были показаны в Париже. Парижане ахали от удивления, слушая их игру.

В соседней стране, Швейцарии, мастер Пьер Жаке-Дроз построил механического писца. Писец ростом с пятилетнего ребенка сидел за столиком. Он макал гусиное перо в чернильницу, затем выводил четким почерком отдельные слова и целые фразы.

За работой отца наблюдал шестнадцатилетний сын Анри. И четыре года спустя, в 1774 году, он сам сделал андроида-художника, рисовавшего карандашом разные фигуры. Временами рисовальщик замирал, как бы размышляя, иногда дул на лист, чтобы удалить невидимые соринки. Потом оба механика вместе построили механическую пианистку. Она играла на фисгармонии — инструменте, похожем на современное фортепьяно. Пальцы пианистки быстро бегали по клавишам, извлекая из инструмента певучие звуки.

Это лишь некоторые андроиды прошлого. Можно было бы еще вспомнить о «говорящей голове» Роджера Бэкона, об укротительнице змей, построенной механиком Гастоном Дешаном, о механической служанке, которая открывала двери в доме ученого Альберта Великого, о «железном мужике», который, как говорят, прислуживал за столом царя Ивана Грозного, об удивительных самоделках Ивана Кулибина, о творениях многих других мастеров.

Все эти самоделки, словно механические часы, приводились в действие часовыми пружинами. Однако пружина — вовсе не лучший двигатель. Если для часов она еще годилась, то вот для роботов — далеко не всегда. А потому механики со временем перепробовали все двигатели, которые были в их распоряжении. Скажем, английский механик Джордж Мур в 1893 году построил «механического человека», который приводился в действие паровой машиной и развивал при ходьбе скорость до 14 км/ч.

Пробовали робототехники использовать и двигатели внутреннего сгорания, однако наиболее удобными оказались все же двигатели электрические. Причем не совсем обычные. И дело не только в их размерах и мощности. Ведь ныне существуют как крохотные двигатели для моделей, размерами с фалангу вашего мизинца, так и огромные моторы, двигающие электровозы, которые, в свою очередь, тянут за собой тяжеленные железнодорожные составы.

Если, скажем, в токарном или сверлильном станке электромоторы обычно крутятся лишь в одну сторону, включаются и выключаются непосредственно самим рабочим, то колеса шасси робота должны по команде крутиться как в одну, так и в другую сторону, причем с разной скоростью, а то и пошагово, то есть поворачиваться на определенный угол. И сами команды могут подаваться дистанционно — оператором, который может находиться за десятки метров, а то и миллионы километров, на другой планете, как в случае с луноходами и марсоходами.

Поэтому во многих случаях в робототехнике используются электромоторы не переменного, а более удобные в управлении коллекторные двигатели постоянного тока. Они легко управляются — подай на них постоянный ток от батареи или аккумулятора, и они начинают крутиться. Причем скорость вращения напрямую зависит от величины напряжения. Поменять направление вращения тоже просто, надо лишь поменять полярность подаваемого напряжения.

Правда, есть у коллекторных двигателей и свои недостатки. Ток передается с неподвижного статора на вращающийся ротор с помощью щеток коллектора. А они имеют свойство довольно быстро истираться от трения. Да и использование постоянного тока не всегда удобно — ныне в электротехнике чаще применяют переменный ток. А значит, нужен еще и выпрямитель.

Поэтому некоторые конструкторы предпочитают использовать в своих разработках бесколлекторные электродвигатели переменного тока. Они экономичны и долговечны. Но вот с управляемостью скорости вращения у них проблемы: для этого нужно менять частоту переменного тока, что опять-таки требует специального оборудования.

Еще одна разновидность двигателей, которая часто используется в робототехнике, — шаговые. Они умеют по команде «сделать шаг» — то есть повернуться на заранее заданный угол. Величина шага (или угла поворота) зависит от конкретной конструкции данного двигателя. Если в нее заложен шаг в 24 градуса, значит, полный оборот двигатель сделает за 15 шагов.

Такие двигатели довольно часто используются, например, в конструкциях шагоходов.

И, наконец, последняя разновидность двигателей, с которыми мы сегодня познакомимся, — это серводвигатели. Они могут не только поворачиваться на определенный угол, но и удерживать его. Такие двигатели обычно применяют для движения механических рук робота. Кроме того, с их помощью отклоняют ротор вертолета и элероны самолета, — на определенный угол поворачивают передние колеса автомобилей в радиоуправляемых моделях.

В состав сервомеханизмов, кроме двигателей, могут входить датчики-сенсоры, которые позволяют роботу ориентироваться в окружающей обстановке, а также системы телеуправления или бортовой компьютер-микроконтроллер, на месте «соображающий», согласно заложенным в него программам, что делать, какую команду подать в том или ином случае.

Исторически сложилось так, что поначалу роботами дистанционно управляли операторы с помощью средств телемеханики. Термин «телемеханика» был предложен в 1905 году французским ученым Э. Бранли. Первоначально достижения телемеханики использовали для управления по радио подвижными военными объектами — например, танкетками на поле боя. Известны случаи применения боевой техники, оснащенной устройствами управления на расстоянии, еще во время Первой мировой войны.

Практическое применение телемеханики в мирных целях началось в 20-х годах ХХ века, главным образом на железнодорожном транспорте. Дистанционное управление семафорами и стрелками было впервые осуществлено в 1927 году на железной дороге в Огайо (США). А спустя шесть лет первые телесистемы появились и в Московской энергосистеме (Мосэнерго).

Развитие телемеханики шло параллельно с развитием электроники и средств связи. Первые системы строились на релейных схемах. В 50-х годах прошлого века на смену реле пришли более компактные транзисторы. В конце 60-х годов началось использование интегральных микросхем.

В конце 80-х годов в схемотехнике систем телемеханики в схемах, построенных на жесткой логике, в качестве управляющего элемента стали использовать программируемые микроконтроллеры. Это позволило гибко адаптировать, приспосабливать аппаратуру управления под решение той или иной конкретной задачи путем изменения программы. В 1992 году был изготовлен первый в СССР комплекс телемеханики «Сириус», построенный на восьмиразрядных микропроцессорах.

Постепенно предпочтение в робототехнике стали отдавать системам автоматического, а не дистанционного управления. И вот почему. Во-первых, людям свойственно уставать, а значит, и ошибаться. Во-вторых, даже самый толковый оператор может не успеть уследить за изменяющимися событиями. Так, например, в свое время на тех же советских луноходах, отправленных на Селену

в начале 70-х годов, были установлены автоматические датчики крена. Нужны они оказались вот для чего. Радиосигнал летит с огромной быстротой — 300 000 км/с. Но все равно, даже при такой скорости путь от Земли до Луны и обратно он проделывает за 2 секунды. Казалось бы, невелик срок. Но за это время луноход может преодолеть несколько метров и. опрокинуться, если на пути попадется, скажем, кратер — яма, оставшаяся от упавшего некогда метеорита.

Чтобы такого не случилось, и на «Луноходе-1», и на «Луноходе-2» были установлены датчики-сенсоры, следившие за наклоном машины и подававшие команду «стоп» тотчас, как только возникала опасность опрокидывания. Но подробнее о сенсорах и их устройстве мы с вами поговорим в следующий раз.

Современный робот-андроид

Подробности для любознательных

«ШАГИ» ДВИГАТЕЛЕЙ

Шаговые электродвигатели умеют по команде микроконтроллера «сделать шаг» — то есть повернуться на заранее заданный угол.

По конструкции шаговый электродвигатель представляет собой синхронный бесщеточный электромотор с несколькими обмотками. При этом ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. А последовательная активация обмоток двигателя — подача энергии на ту или иную обмотку — позволяет произвести дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

Шаговые двигатели с ротором из магнитно-мягкого (ферромагнитного) материала или из магнитно-твердого (магнитного) материала позволяют получать довольно большой крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках. Моторы с постоянными магнитами могут использоваться в качестве датчиков угла поворота благодаря возникновению ЭДС на обмотках при вращении ротора. Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.

Шаговый электродвигатель NEMA 17.

Главное достоинство шаговых приводов — точность. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Кроме того, стоят они дешевле сервоприводов, о которых пойдет речь ниже.

Впрочем, есть у шаговых двигателей и недостатки. Наиболее известная проблема — возможность «проскальзывания» ротора при превышении нагрузки на валу, неверной настройке управляющей программы или при приближении скорости вращения к резонансной. Чтобы избежать проскальзывания ротора, лучше использовать двигатели с избыточной мощностью.

Шаговые двигатели стандартизованы по размерам и диаметру фланца. Например, двигатели NEMA 17, NEMA 23, NEMA 34 имеют диаметр фланца 42 мм, 57 мм и 86 мм соответственно. Шаговые электродвигатели NEMA 23 могут создавать крутящий момент до 30 кгс/см, NEMA 34 — до 120 кгс/см. И так далее, до 210 кгс/см для двигателей с фланцем 110 мм.

Еще одна распространенная разновидность двигателей для робототехники — это серводвигатели или сервоприводы. В мире большой техники к сервоприводам относятся многие регуляторы и усилителей — в частности, рулевое управление и тормозная система на тракторах и автомобилях. Управляют направлением движения сервоприводы и в моделях. Таким способом — с помощью привода с управлением через отрицательную обратную связь — удается точно управлять скоростью и направлением.

Сервопривод хорош тем, что не предъявляет особых требований к электродвигателю и редуктору, компенсирует люфты в приводе, имеет большую скорость перемещения элемента, позволяет мгновенно диагностировать поломки.

Однако при этом сервопривод требует наличия датчиков, им сложнее управлять, а кроме того, такие приводы, как правило, дороже шаговых.

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Калибратор

Что такое калибратор и зачем он нужен? Допустим, вы решили послушать «Радио России» вечерком на коротких волнах. Из программы передач, волнового расписания или еще откуда-то вы узнали, что это радио работает на частоте 7215 кГц. В вашем распоряжении неплохой приемник «Россия 203-1» (2-го класса, между прочим!). Вы глядите на шкалу, и в диапазоне КВ 2 видите деления: 4.0, 4.5, 5.0, 6.0 и 7.3 МГц. Ну, и где искать станцию? Немножко пониже 7,3 МГц? Там станций не меньше десятка! Хорошо еще, если шкала отградуирована в мегагерцах частоты, а если в метрах длины волны?

Может, конечно, помочь формула: длина волны равна скорости света, деленной на частоту. Или, для простоты запоминания, длина волны λ = 300/f (МГц). Вы можете сосчитать, что частота 7,215 МГц соответствует волне примерно 41,6 м, ну и что? Шкала приемника все равно не имеет столь точной градуировки! Вероятнее всего, вы увидите широкую полоску, охватывающую весь вещательный поддиапазон, над которой написано: «41 м».

Можно, конечно, выкинуть все старые радиоприемники и купить новый, с цифровой шкалой. Но большой прогресс цифровой техники, позволивший выпускать простые и дешевые цифровые шкалы, не означает такого же прогресса в технике радиоприема. Более того, хорошие приемники сейчас разучились делать. У меня на полке стоит подобный приемник ценовой категории менее 1000 рублей, но слушать его нельзя — люфт, скрип и тяжелый ход «веревочного» верньера отбивают всякую охоту трогать ручку настройки, а цифровая шкала (единственное отличие приемника от подобного же, более дешевого ширпотреба) ошибается на пару килогерц.

На Западе действительно хороший, профессиональный радиоприемник купить можно (у нас их просто не выпускают), но цены заоблачные.

Отградуировать шкалу любого, фабричного или самодельного, аппарата, будь то приемник, генератор сигналов или еще какое-нибудь экзотическое устройство, как раз позволяет кварцевый калибратор, о котором и пойдет речь. Основу его составляет высокостабильный генератор, резонатором в котором служит не колебательный контур, а кварцевый кристалл, имеющий какую-нибудь «круглую» частоту: 100 кГц, 1 МГц или 10 Мгц. Не знаю, как сейчас, но раньше выпускали специально для радиолюбителей набор, содержавший три кварцевых резонатора на указанные частоты и стоивший очень недорого.

Другим источником кварцевых резонаторов теперь с успехом служат старые платы от цифровой техники: компьютеров и игровых приставок. Сейчас ведь все, что надо и не надо, стараются сделать на микропроцессорах (МП), а каждый МП требует для своей работы тактового генератора. Производители упорно не желают мотать катушки (дорого и нетехнологично), поэтому наладили широкий выпуск кварцевых резонаторов. Например, из одной старой, выброшенной платы компьютера я выпаял целых пять штук. Частота обычно написана на корпусе, часто встречаются и «круглые» частоты — 4, 8, 12 МГц.

Если собрать на кварцевом резонаторе простенький маломощный генератор и присоединить к нему короткий отрезок провода (10.20 см) в качестве антенны, то сигнал можно принять вашим радиоприемником, и на его шкале появится калиброванная точка. Сигнал принимается очень мощно, ведь приемник — чувствительный прибор и находится рядом, так что ошибиться трудно. К тому же калибратор всегда можно выключить, поднести поближе к приемнику или отнести подальше, чтобы убедиться в приеме именно его сигнала.

В обычном АМ-приемнике сигнал калибратора слышен так же, как немодулированная несущая мощной радиостанции в паузах передачи (по пропаданию помех и более ровному характерному шуму), если же приемник позволяет принимать телеграф и однополосную модуляцию (имеет второй гетеродин), то сигнал слышен как громкий свист понижающегося при точной настройке тона.

Но вот что интересно: если вы настроите приемник на удвоенную, утроенную, учетверенную и так далее частоту калибратора, вы тоже услышите сигнал, возможно, несколько тише. Это гармоники, и они действительно присутствуют в выходном сигнале генератора. Гармоник не содержит только идеально чистый синусоидальный сигнал. Это поясняет рисунок 1, а, где сверху показана зависимость напряжения сигнала от времени, а снизу — его спектр, содержащий лишь одну частоту f_o = 1/T, где: Т — период колебаний (время одного полного колебания).

Рис. 1, а

Добавим к основному колебанию (сплошная линия на рис. 1, б сверху) его третью гармонику — штриховая линия. Результирующая форма сигнала показана красной линией. Теперь она далека от синусоидальной и напоминает скорее прямоугольную. Спектр сигнала содержит уже не одну спектральную линию, а две: основную частоту f_o (черная линия на нижнем рисунке) и ее третью гармонику — частоту 3f_o (красная линия). Высота линий соответствует амплитуде гармоник.

Рис. 1, б

Идеально прямоугольный сигнал содержит бесконечное число нечетных гармоник основной частоты, с амплитудами, убывающими обратно пропорционально номеру гармоники. Короткие импульсы содержат как четные, так и нечетные гармоники, которых тем больше, чем круче фронты импульсов.

Из сказанного ясно, что простейший калибратор содержит кварцевый генератор и «исказитель» формы колебаний — генератор гармоник (рис. 2, а).

Рис. 2, а

Лучше всего, если он будет выдавать короткие острые пики напряжения, богатые высшими гармониками. Для связи с приемником послужит упомянутый короткий отрезок провода — антенна. Если выбрать кварц на 100 кГц, в эфире рядом с приемником появится как бы виртуальная шкала — гребенка сигналов с частотами, кратными 100 кГц, например, 7000, 7100, 7200, 7300 и так далее кГц.

Теперь найти «Радио России» гораздо легче: настраиваем приемник на 7200 кГц по калибратору, и затем лишь чуть-чуть (на 15 кГц, или 1/7 виртуального деления) смещаем настройку вверх по частоте.

Если вам понравилась идея и захотелось иметь более подробную виртуальную шкалу с делениями, скажем, через 10 кГц, не обязательно искать кварцевый кристалл на 10 кГц — низкочастотные кварцы дороги, дефицитны и имеют большие габариты. Проще и лучше пойти другим путем — установить в калибратор делитель частоты (рис. 2, б).