طقم سيارة روبوت ذاتية التوازن - منصة بعجلتين مثبتة بالجيروسكوب مع وحدة تحكم MPU6050، ونظام تجنب العوائق بالموجات فوق الصوتية، ومتوافقة مع UNO وL298N | تحكم حركة PID | طقم تعليم برمجة STEM والروبوتات بنفسك

تجمع مجموعة سيارة الروبوت الذكية ذاتية التوازن (Pbot 3.0) بين الهندسة الميكانيكية والإلكترونيات وبرمجة الحاسوب في منصة تعليمية تفاعلية واحدة مصممة لمحاكاة الروبوتات وأنظمة التحكم في العالم الحقيقي. مزودة بمحركين تيار مستمر، ومستشعر جيروسكوب MPU6050، وجهاز كشف العوائق بالموجات فوق الصوتية، وبنية تحكم متوافقة مع UNO، تقدم تجربة تعليمية متكاملة، من أساسيات الفيزياء إلى برمجة الروبوتات المتقدمة.

يعتمد الروبوت في جوهره على نظام تحكم مغلق الحلقة للحفاظ على ثباته الرأسي. يقيس جيروسكوب MPU6050 باستمرار السرعة الزاوية والتسارع، بينما يحسب المتحكم الدقيق خطأ الميل بالنسبة للمحور العمودي. بتطبيق خوارزمية PID، يضبط المتحكم عزم دوران المحرك فورًا لموازنة اختلال التوازن، محافظًا على ثبات الروبوت حتى في الظروف الديناميكية. يُشكل هذا المبدأ - المعروف باسم التحكم بالبندول المقلوب - أساس الروبوتات الحديثة وتثبيت المركبات ذاتية القيادة.

يتميز هيكل الروبوت بهيكل أكريليك مزدوج الطبقات، مُشَكَّل بدقة باستخدام الحاسب الآلي لضمان الصلابة والشفافية. توفر الفواصل النحاسية فصلًا ثابتًا بين الطبقات، وتضمن أعمدة المحرك المعدنية ثبات عزم الدوران أثناء التسارع أو التباطؤ. تم تحسين مركز ثقل السيارة بعناية، مما يتيح دقة في تغذية الجيروسكوب حتى أثناء المنعطفات السريعة. جميع الأجزاء الميكانيكية والكهربائية معيارية، مما يُتيح للطلاب تجميع النظام وتفكيكه بسهولة لإجراء تجارب متكررة.

توفر وحدة تشغيل المحرك L298N تحكمًا ثنائي الاتجاه لكلا المحركين، حيث تُترجم إشارات المتحكم الدقيق إلى تيار خرج مع حماية حرارية وسلامة الحمل. من خلال بيئة التطوير المتكاملة Arduino IDE، يمكن للمستخدمين تحميل أكواد موازنة مفتوحة المصدر، وضبط معاملات الكسب (Kp، Ki، Kd)، وضبط استجابة التحكم بدقة. تجمع خوارزمية الموازنة بين التصحيح النسبي، وتعويض الخطأ التكاملي، وتخميد المشتقات لتحقيق حركة سلسة ودقيقة في مختلف ظروف الأسطح.

توفر وحدة الموجات فوق الصوتية HC-SR04 إدراكًا بيئيًا من خلال إصدار موجات فوق صوتية وحساب زمن عودة الصدى. يستطيع الروبوت اكتشاف الأجسام على بُعد يصل إلى 400 سم، والتوقف تلقائيًا، وتخطيط مسارات بديلة. يُمكّن دمج التغذية الراجعة بالموجات فوق الصوتية مع منطق التوازن الروبوت من التحرك بذكاء دون تدخل بشري، مما يُظهر كيف تجمع الروبوتات الحديثة بين الاستشعار واتخاذ القرارات.

لتحسين التفاعل، تتيح وحدة البلوتوث (HC-06) التحكم لاسلكيًا عبر تطبيقات الهواتف الذكية أو الأجهزة الطرفية التسلسلية. يمكن للمستخدمين ضبط إعدادات التوازن عن بُعد، وتشغيل أوامر الحركة، أو عرض بيانات المستشعرات آنيًا. هذه الميزة تجعل الروبوت مناسبًا لتدريبات البرمجة المتقدمة التي تتضمن الاتصال التسلسلي ونقل البيانات لاسلكيًا.

من الناحية التعليمية، تُقدم هذه المجموعة قيمةً هائلةً لبرامج العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات (STEM)، حيث تُقدم مواضيع رئيسية في الروبوتات، ونظرية التحكم، والأنظمة المُدمجة، وأساسيات تعلم الآلة. يكتسب الطلاب خبرةً عمليةً في الفيزياء (الزخم، والحركة الزاوية)، والإلكترونيات (التحكم في تعديل عرض النبضة، ودوائر التغذية الراجعة)، وعلوم الحاسوب (منطق C++، وتصحيح الأخطاء التسلسلي). تُستخدم هذه المجموعة على نطاق واسع في المدارس والجامعات ومختبرات الهواة كنموذج تدريبي لأبحاث الأنظمة ذاتية التشغيل والروبوتات القائمة على الذكاء الاصطناعي.

تتضمن الحزمة الشاملة للأجهزة ما يلي:

1 × هيكل أكريليك مزدوج الطبقة

2 × محركات تروس تيار مستمر عالية عزم الدوران

1 × محرك L298N

1 × وحدة جيروسكوب MPU6050

1 × وحدة الموجات فوق الصوتية HC-SR04

1 × لوحة تحكم متوافقة مع UNO

1 × حامل بطارية (بدون بطارية)

أسلاك توصيل، فواصل نحاسية، براغي، وصواميل

يُشجع كل جانب من جوانب مجموعة سيارة الروبوت ذاتية التوازن على الاستكشاف والتجريب والابتكار. لا يقتصر دور الطلاب على بناء روبوتاتهم وبرمجتها فحسب، بل يُحللون سلوكها ويُحسّنونه أيضًا، مُكتسبين مهاراتٍ أساسية في حل المشكلات والهندسة خلال العملية. تتيح الطبيعة المعيارية للمنصة إمكانية التوسع مستقبلًا باستخدام وحدات واي فاي أو كاميرا أو رؤية الذكاء الاصطناعي لمشاريع متقدمة. هذا يجعلها أداةً تعليميةً مدى الحياة، تُمهد الطريق لتعلم المبتدئين وتطوير الروبوتات الاحترافي.

① التحكم في التوازن الذاتي في الوقت الفعلي باستخدام الجيروسكوب ومقياس التسارع

تُعلّم مجموعة الروبوتات ذاتية التوازن المتقدمة هذه المبادئ الأساسية لفيزياء الحركة وهندسة التحكم. مزودًا بجيروسكوب MPU6050 ومقياس تسارع، يرصد النظام زوايا الميلان باستمرار ويستخدم خوارزميات PID (التناسب-التكامل-التفاضل) في الوقت الفعلي للحفاظ على التوازن العمودي. يتعلم الطلاب كيفية عمل حلقات التغذية الراجعة، وحسابات الزوايا، ودمج المستشعرات في الروبوتات ذاتية التشغيل الحقيقية. من خلال ضبط معلمات PID، يمكن للمستخدمين تجربة الاستقرار الديناميكي، وتعويض القصور الذاتي، والتحكم في مركز الثقل - وهي مهارات قابلة للتطبيق مباشرةً في الروبوتات الحديثة، والطائرات بدون طيار، وأنظمة التنقل التي يتحكم بها الذكاء الاصطناعي.

② تصميم محرك دقيق مزدوج وعمود معدني

يعمل الروبوت بمحركين تروس تيار مستمر عاليي عزم الدوران مع أعمدة معدنية، مما يوفر حركة قوية وسريعة الاستجابة. تُدار كل عجلة بشكل مستقل، مما يسمح بدوران سريع وتسارع سلس وكبح دقيق. يقلل الهيكل المتين من الاهتزاز، مما يضمن دقة قراءات المستشعر أثناء الحركة. يحاكي تصميم المحركين مبادئ التحكم الميكاتروني الواقعية - بما في ذلك توازن عزم الدوران، وتغذية التيار، وحساب السرعة التفاضلية - مما يمنح المتعلمين تجربة روبوتات احترافية مع تطوير حدسهم الهندسي ومهاراتهم في تجميع الأجهزة.

③ نظام ذكي لتجنب العوائق بالموجات فوق الصوتية

الروبوت مزود بمستشعر فوق صوتي HC-SR04، ويمسح محيطه لاكتشاف العوائق وقياس المسافة باستخدام انعكاس الصدى. يقوم البرنامج المدمج بضبط مسار الروبوت تلقائيًا أو إيقافه عند اكتشاف جسم ما، مما يمنع الاصطدامات. يمكن للطلاب تصور بيانات المسافة، وتعلم توقيت الإشارات الرقمية، وفهم كيفية دمج أنظمة الملاحة ذاتية القيادة بين تغذية المستشعر ومنطق اتخاذ القرار. تشكل هذه الوحدة أساسًا لتطوير سلوكيات القيادة الذاتية، وهي مهارة أساسية في روبوتات الذكاء الاصطناعي والأنظمة المدمجة.

④ التوسعة القابلة للبرمجة والتحكم اللاسلكي

تدعم المجموعة واجهات اتصال متعددة، بما في ذلك بلوتوث (HC-06) والتحكم بالأشعة تحت الحمراء. يمكن للمستخدمين توصيل هواتفهم الذكية أو أجهزة الكمبيوتر بسهولة لإرسال أوامر التحكم أو مراقبة بيانات الحركة لاسلكيًا. من خلال بيئة التطوير المتكاملة Arduino، يمكن للمبتدئين والمتقدمين على حد سواء كتابة برامج C++ مخصصة، وتعديل معاملات الموازنة، أو دمج مستشعرات إضافية مثل وحدات درجة الحرارة، والأشعة تحت الحمراء، والضوء. يعزز هيكلها مفتوح المصدر الإبداع والتجريب، مما يجعل هذا الروبوت منصة تعلم مثالية لتطبيقات إنترنت الأشياء، والروبوتات الذكية، والأتمتة.

⑤ مجموعة تعليمية شاملة في مجالات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات مع خبرة عملية

صُممت هذه المجموعة للمؤسسات التعليمية وورش العمل ومساحات الإبداع، وهي تغطي جميع مراحل عملية تعلم الروبوتات: التجميع الميكانيكي، والأسلاك الإلكترونية، وتنفيذ الأكواد البرمجية، وتصحيح الأخطاء. يضمن الهيكل الأكريليكي المعياري تجميعًا آمنًا ورؤية كاملة للآليات الداخلية. يُصبح كل برغي وسلك ووصلة نقطة تعليم، مما يُساعد المتعلمين على إتقان منطق الدائرة، وتدفق الإشارات، ومعالجة البيانات في الوقت الفعلي. تُشجع هذه المجموعة على العمل الجماعي، وحل المشكلات، وتنمية الفضول العلمي، وتحويل النظرية إلى ممارسة عملية من خلال التعلم التفاعلي القائم على المشاريع.