Конспект на тему «Дистанционное управление»

1. Понятие дистанционного управления

Дистанционное управление — управление машиной или устройством на расстоянии: человек к самому объекту не прикасается, а посылает ему команды по линии связи. Пример есть в каждой квартире. Вы сидите на диване, нажимаете кнопку на пульте, и телевизор у противоположной стены переключает канал. По тому же принципу, только с более сложной техникой, работают радиоуправляемые машинки и квадрокоптеры, ворота гаража, кондиционер, а на заводе — мостовой кран, который крановщик ведёт с переносного пульта, стоя внизу.

Телемеханика — раздел техники о передаче команд и сведений о работе машин на большие расстояния; греческое «теле» значит «далеко». Если команды идут в одну сторону, от человека к машине, это телеуправление. Если же машина в ответ сообщает, что с ней происходит, какая у неё температура, где она находится, сколько осталось заряда, это уже телеконтроль, или телеизмерение. Например, диспетчер на подстанции не только включает рубильник за десятки километров, но и видит на экране, пошёл ли ток.

Зачем нужно дистанционное управление. Чаще всего ради удобства: никому не хочется вставать, чтобы убавить звук. Но есть случаи, когда без него просто не обойтись. Сапёрный робот подъезжает к подозрительной сумке, пока человек стоит в безопасном месте; манипулятор перекладывает радиоактивные материалы за толстым стеклом; подводный аппарат осматривает трубопровод на глубине, куда не опустится водолаз. А из диспетчерской метро или энергосистемы одновременно управляют сотнями объектов, разбросанных по всему городу.

• для удобства, когда не хочется вставать с места или подходить к устройству;
• для безопасности, когда работа связана с опасностью для человека (радиация, высокое напряжение, взрывчатые вещества, пожар);
• для работы там, куда человек попасть не может (космос, морские глубины, узкие трубы);
• для управления сразу многими объектами из одного места (диспетчерские пункты метро, энергосистем, умный дом).

2. Из истории дистанционного управления

Первую публичную демонстрацию радиоуправления устроил Никола Тесла. В 1898 году на электротехнической выставке в нью-йоркском Мэдисон-сквер-гарден по бассейну плавала небольшая лодка, которая поворачивала, останавливалась и мигала огнями, а Тесла стоял у края с коробкой-передатчиком. Публика не верила своим глазам, кто-то решил, что внутри спрятана дрессированная обезьяна, кто-то — что изобретатель управляет лодкой силой мысли. Сам Тесла назвал её «телеавтоматом» и запатентовал.

В XX веке телеуправлением стали пользоваться военные, железнодорожники и энергетики, а домой оно пришло вместе с телевизором. Первые пульты 1950-х годов соединялись с ним проводом, о который все спотыкались, потом появились ультразвуковые, щёлкавшие металлическими пластинками, а в 1980-е годы почти все фирмы перешли на инфракрасный луч, которым мы пользуемся до сих пор.

Самый впечатляющий пример — советский «Луноход-1», который 17 ноября 1970 года съехал с посадочной ступени на поверхность Луны. Им управляли пять человек — командир, водитель, штурман, оператор антенны и бортинженер, сидевшие в Центре дальней космической связи под Симферополем. Радиосигнал шёл до Луны и обратно около 2,6 секунды, а изображение с телекамер приходило ещё медленнее, поэтому водителю приходилось угадывать, что окажется перед колёсами через несколько секунд. Луноход проработал больше десяти месяцев и проехал около 10,5 километра.

3. Как устроена система дистанционного управления

Любая система дистанционного управления состоит из нескольких частей.

• Задающее устройство (пульт, передатчик) — с его помощью человек формирует команду: нажимает кнопку, двигает рычаг-джойстик, касается экрана смартфона.
• Кодирующее устройство — превращает команду в сигнал определённой формы, например в последовательность коротких и длинных импульсов.
• Линия (канал) связи — то, по чему передаётся сигнал: провод, инфракрасный луч, радиоволны, ультразвук.
• Приёмник и декодер — принимают сигнал и расшифровывают команду.
• Исполнительное устройство — электродвигатель, реле, сервопривод, лампа, которые выполняют команду.

Кодирование нужно, чтобы приёмник отличал команды друг от друга и не реагировал на чужие сигналы. Например, каждая кнопка ИК-пульта посылает свой цифровой код, а сами импульсы передаются на несущей частоте около 36–40 кГц, то есть светодиод мигает десятки тысяч раз в секунду. Поэтому приёмник телевизора не путает сигнал пульта с солнечным светом или лампой.

Обратная связь — передача сведений от объекта управления к человеку или к системе управления. Если её нет, человек судит о результате по тому, что видит сам: машинка поехала, свет загорелся. В сложных системах обратная связь идёт по тому же каналу: квадрокоптер передаёт на пульт высоту, заряд батареи и изображение с камеры. Благодаря этому пилот может управлять аппаратом, который улетел далеко и превратился в небе в едва заметную точку, глядя на экран так, будто сам сидит в кабине.

4. Способы передачи сигнала

Каналы связи различаются по дальности, помехоустойчивости и тому, нужна ли прямая видимость между пультом и устройством. Основные способы передачи сигнала сведены в таблицу 1.

Таблица 1 — Способы передачи сигналов дистанционного управления

Дальность работы зависит не только от канала, но и от мощности передатчика, антенны и препятствий. Ориентировочные значения для бытовых устройств показаны на рисунке 1.

Из диаграммы видно, что инфракрасный пульт и Bluetooth рассчитаны на одну комнату, Wi-Fi — на квартиру, а аппаратура для радиоуправляемых моделей позволяет управлять самолётом или квадрокоптером на расстоянии около километра и больше. По правилам полётов беспилотник при этом нужно держать в пределах прямой видимости. Если связь всё-таки пропадает, многие современные квадрокоптеры не падают, а включают режим возврата: по сигналам спутников они сами летят к точке взлёта и садятся, и это тоже пример того, как дистанционное управление дополняется автоматикой.

5. Дистанционное управление на уроке технологии

На уроках технологии и робототехники простую систему дистанционного управления можно собрать своими руками. Обычно берут плату Arduino, ИК-приёмник за несколько десятков рублей и старый пульт от телевизора. Небольшая программа сначала выводит на экран компьютера код каждой нажатой кнопки, а затем этим кодам назначаются действия: одна кнопка зажигает светодиод, другая поворачивает сервопривод, стрелки заставляют робота ехать вперёд, назад и разворачиваться. Если вместо ИК-приёмника подключить модуль Bluetooth, роботом можно управлять из приложения на смартфоне.

Правила безопасности. Лазерные указки и мощные ИК-излучатели нельзя направлять в глаза. Батареи подключают, проверив полярность, иначе плата может сгореть. Радиоуправляемые модели не запускают над людьми, рядом с дорогами и линиями электропередачи. Схему собирают и переделывают только при отключённом питании.

Главное для запоминания

• Дистанционное управление — управление объектом на расстоянии по линии связи.
• Система состоит из задающего устройства, кодера, канала связи, приёмника с декодером и исполнительного устройства.
• Каналы связи: проводной, инфракрасный, радио (в том числе Bluetooth и Wi-Fi), ультразвуковой.
• Кодирование позволяет различать команды и защищает от чужих сигналов.
• Обратная связь сообщает о состоянии объекта управления.
• Примеры: пульт телевизора, квадрокоптер, умный дом, «Луноход-1».