Alchemik
Administrator
Dołączył: 22 Wrz 2010
Posty: 48
Przeczytał: 0 tematów
Ostrzeżeń: 0/5
Skąd: Zagórze/Sosnowiec
|
 Wysłany: Czw 17:17, 23 Wrz 2010 Temat postu: Minaturowy robot inspekcyjny |
|
|
Budowa
Miniaturowy robot mobilny robot ma wymiary 225 x 174 x 235 mm. Robot ma strukturę modułową typu "SANDWICH". Można wyróżnić w niej moduł napędowy -platformę jezdną, moduł sterujący oraz moduł obserwacyjno - wykonawczy. Taka budowa zapewnia łatwy dostęp do wszystkich zespołów urządzenia, pozwala na wymianę poszczególnych modułów nie wpływając na inne elementy. W zależności od zaistniałej potrzeby możliwe jest tworzenie kolejnych wersji robota z różnymi modułami posiadającymi odpowiednie oprzyrządowanie, zależnie od przewidywanych zadań. Platforma mobilna robota została zaprojektowana ma podwoziu gąsienicowym. Złożona jest z kadłuba wykonanego z aluminium oraz dwóch zespołów napędowych napędzających prawą i lewą gąsienice. Każdy z dwóch zespół napędowych składa się z trzech jednakowych kół o średnicy 54 mm wykonanych z duraluminium. Gąsienice wykonane są z twardego poliuretanu wzmacnianego stalowymi linkami. Zapewniają dobrą przyczepność do szorstkich podłożach i dużą trwałość. Oba zespoły napędzane są przez dwa silniki prądu stałego o napięciu znamionowym 12V, ze zintegrowanymi reduktorami prędkości. Reduktory mają przełożenie 75:1 i pozwalają na uzyskanie maksymalnego momentu obrotowego równego 0.5 Nm. Silniki wyposażono w optoelektroniczne przetworniki obrotowo - impulsowe. W kadłubie w zależności od potrzeb można umieścić pakiet akumulatorów, zasilających robota podczas autonomicznego trybu pracy. Budowa podwozia pozwala na pokonywanie przeszkód poprzecznych do wysokości 25 mm oraz podjazdów o nachyleniu do 30°. Moduł sterowania został umieszczony bezpośrednio nad kadłubem. Składa się z duralowej obudowy przykrytej metapleksową pokrywą. Przymocowany jest do modułu napędowego za pomocą specjalnych klamer, dzięki którym, jeśli zajdzie potrzeba można go w prosty i szybki sposób odłączać. Wewnątrz znajduje się mikroprocesorowy sterownik kontrolujący pracę robota. W ściankach obudowy znajdują się okienka, w których zostały umieszczone czujniki działające w paśmie podczerwieni służące do lokalizowania przeszkód wokół robota. Moduł obserwacyjno - wykonawczy znajduje się nad modułem sterowania. Składa się z czarno-białej kamery CCD wspomaganej oświetlaczami w zakresie podczerwień i z nadajnika służącego do przekazywania obrazu do komputera nadrzędnego. Kamera zamocowana została na obrotowym statywie, mogącym obracać się w dwóch osiach. Osie statywu poruszane są za pomocą dwóch modułowych serwomechanizmów, dzięki czemu kamera może obracać się automatycznie w poziomie w zakresie 90° oraz w pionie w zakresie 60°. Istnieje możliwość instalacji mikrofonu sprzężonego z kamerą, co przy niektórych rodzajach zadań jest dużym udogodnieniem.
Miniaturowy Robot Inspekcyjny [MRI R1]- rysunek poglądowy
Układ sterowania
Głównym elementem układu sterowania jest jednostka centralna. Jednostka centralna oraz pozostałe elementy układu sterowania zasilane są z układu zasilania. Układ ten pozwala na zasilanie sterownika w bardzo szerokim zakresie napięć zasilania (8..48VDC). Układy sterowania silników pozwalają na realizację pracy nawrotnej. Układy te pracują w klasycznym układzie mostkowym i są sterowane przez jednostkę centralną metodą modulacji szerokości impulsu. Prędkość obrotową silników mierzona jest przez zliczanie w jednostkowych odcinkach czasu impulsów z fotooptycznych przetworników obrotowo-impulsowych zainstalowanych na wałkach silników napędowych. Dzięki temu w układzie sterowania napędu silników możliwe jest zrealizowanie układów automatycznej regulacji prędkości, różnicy prędkości i przemieszczenia kątowego.
Jednostkę centralną tworzy pojedynczy układ mikrokontrolera jednomodułowego typu MSP430F149 firmy Texas Instruments. Jądrem mikrokontrolera jest szesnastobitowa jednostka arytmetyczno-logiczna o architekturze ortogonalnej ze zredukowaną listą rozkazów (RISC). Mikrokontroler posiada wewnętrzną reprogramowalną pamięć programu typu flash o pojemności 60 KB oraz 2KB pamięci o swobodnym dostępie typu RAM. Mikrokontroler zasilany jest ze źródła o napięciu 3,3V pobierając moc rzędu 5mW przy częstotliwości oscylatora kwarcowego równej 4,9152MHz. Mikrokontroler zawiera ponadto szereg dodatkowych modułów w tym:
* 10 układów 16 bitowych modulatorów PWM
* 2 moduły dwukierunkowej, jednoczesnej transmisji szeregowej
* 12 kanałowy 12-to bitowy kompensacyjny przetwornik analogowo-cyfrowy
* porty wejść/wyjść cyfrowych
* układ pomiaru temperatury
Mikrokontroler przystosowany jest do pracy w zakresie temperatur (-40 ..+85°C) określanych powszechnie zakresem "temperatur przemysłowych".
Układ zasilania jest układem dwustopniowym. Pierwszy stopień zasilania tworzy hybrydowa wysokosprawna przetwornica DC/DC o prądzie jałowym niezależnym od obciążenia i nie przekraczającym wartości 5 mA. Przetwornica jest źródłem napięcia +5,0V koniecznych do zasilania niektórych elementów układu sterownika. Do zasilania mikrokontrolera i układów z nim współpracujących wykorzystywane jest napięcie 3,3V. Napięcie to powstaje w stabilizatorze liniowym charakteryzującym się bardzo niskim prądem biegu jałowego (rzędu 15mA) i podobnie jak w przypadku przetwornicy DC/DC niezależnego od obciążenia. Pierwszy stopień zasilania umożliwia zasilanie układu sterowania w bardzo szerokim zakresie napięć wejściowych (8..48V). Ponadto zapewnia ochronę przed odwrotną polaryzacją napięcia zasilania, posiada zabezpieczenie przeciwzwarciowe oraz zabezpieczenie termiczne. Stopień drugi układu zasilania jest zabezpieczony przed skutkami nawet długotrwałego zwarcia. W rezultacie układ zasilania skonstruowany został w taki sposób, aby spełnić wymogi energooszczędności i wysokiej niezawodności eksploatacyjnej. Podobnie jak pozostałe elementy układu sterowania napędu układ zasilania może pracować w zakresie temperatur (-40 ..+85°C).
Układ sterowania napędów zaopatrzono w trzy opcjonalne interfejsy transmisji szeregowej: RS485, CAN 2.0B, RS232C. Dwa pierwsze przeznaczone są do zastosowań przemysłowych, ostatni do badań laboratoryjnych. Interfejs umożliwia dwukierunkową naprzemienną transmisję szeregową danych z prędkościami transmisji w zakresie 1 200..76 800Bd. Interfejs umożliwia sprzężenie jednostki sterowania napędami z zewnętrzną jednostką nadrzędną typu master drogą radiową (radiomodem) lub przez bezpośrednie połączenie kablowe. W warstwie aplikacyjnej zaimplementowano ogólnie znany i zweryfikowany w warunkach przemysłowych protokół komunikacyjny MODBUS-RTU zapewniający dostatecznie wysoki poziom bezpieczeństwa transmitowanych danych. Dla minimalizacji zużycia energii w kanale RS232 zastosowano energooszczędny układ z funkcją auto-shutdown, zaś w kanale RS485 układ sterownika magistrali o poborze prądu wynoszącym zaledwie 0,3mA.
Do napędu silników zastosowano scalone sterowniki prądu stałego typu A3953 firmy Allegro. Sterowniki te pracują w klasycznym układzie pełno mostkowym umożliwiającym nawrotną pracę silnika włączonego w przekątną mostka. Diody gaszące zintegrowane są ze strukturą układu. Układ pozwala na zewnętrzne programowanie prądu maksymalnego płynącego przez silnik. W przypadku opisywanego sterownika programowanie polega na przyłączeniu odpowiedniego rezystora zewnętrznego. W układzie sterowania ograniczono ten prąd do wartości 1A. Układ A3953 zapewnia wysoką niezawodność przy współpracy z silnikiem. Posiada zabezpieczenia przeciążeniowe, przeciwzwarciowe, przed odwrotną polaryzacją napięcia zasilania oraz zabezpieczenie przed przegrzaniem struktury. Układ sterownika silnika sterowany jest bezpośrednio z jednostki centralnej w trybie 16-to bitowego programowalnego układu modulacji szerokości impulsu. Układ A3953 nie zapewnia liniowej charakterystyki statycznej przetwarzania. Skuteczna kompensacja tej nieliniowości możliwa jest do uzyskania w zasadzie dopiero w układzie sterowania ze sprzężeniem zwrotnym.
Do pomiaru rzeczywistej prędkości obrotowej silników w miniaturowym robocie skonstruowano prosty przetwornik oborotowo-impulsowy. Przetwornik ten składa się z tarczy zaopatrzonej w 24 otwory osadzonej bezpośrednio na wałku silnika napędowego oraz układu fotooptycznego pracującego w zakresie bliskiej podczerwieni. Impulsy przetwornika obrotowo-impulsowego zliczane są przez jednostkę centralną w określonych jednostkowych odcinkach czasu. W ten sposób wyznaczana jest uśredniona prędkość obrotowa silnika w odcinku jednostkowym czasu. Ponieważ przełożenie mechaniczne wewnętrznej przekładni silnika napędu robota wynosi 1:75, stąd teoretyczna rozdzielczość kątowa wynosi 1800 impulsów na pełny kąt obrotu koła napędowego gąsienicy robota.Prędkość ta jest w przybliżeniu liniowo zależna od napięcia zasilania. W celu wyeliminowania wpływu wahań wartości napięcia zasilania oraz wpływu chwilowych obciążeń na prędkość obrotową silników konieczne jest zastosowanie układów automatycznej regulacji prędkości. Pomiar prędkości obrotowej wału silnika stwarza możliwości konstrukcji takich układów.
Układ sterowania napędu robota mobilnego sterowany jest przez zewnętrzną, nadrzędną jednostkę sterującą. Dla celów komunikacyjnych wybrano protokół MODBUS-RTU dobrze ugruntowany w praktyce przemysłowej. W przypadku układu napędu robota przyjęto skrajnie zredukowaną listę rozkazów standardu MODBUS-RTU. Zaimplementowano tylko dwa, ale wystarczające do obsługi układu sterującego symetryczne rozkazy RTU a mianowicie:
* rozkaz czytania rejestrów (funkcja 03)
* rozkaz zapisu rejestrów (funkcja 16)
Sterownik traktowany jest jako typowe urządzenie podporządkowane (slave) o programowalnym adresie z zakresu 1..247 i programowalnej prędkości transmisji z zakresu 1200..76800 Bd. Domyślny adres jest równy 1, zaś domyślna prędkość transmisji jest równa 9600Bd.
W strukturze wewnętrznej interfejsu RTU sterownika wyróżniono 30 szesnastobitowych rejestrów RTU. Wszystkie rejestry są rejestrami typu zapis-odczyt, choć ze względów praktycznych wygodnie podzielić je na trzy grupy:
* rejestry typu odczyt-zapis
* rejestry typy tylko odczyt
* rejestry typu tylko zapis
Przykładem rejestrów typu odczyt-zapis są np.: rejestry słowa stanu sterowania umożliwiające między innymi bezpośredni dostęp do układów sterowania silników, czy uruchamiające sygnał dźwiękowy.
Typowymi rejestrami typu tylko-odczyt są rejestry informujące o bieżącej wartości prędkości obrotowej każdego z silników czy rejestry informujące o drodze kątowej pozostałej do przebycia w przypadku wykorzystania regulatora przemieszczenia kątowego.
Rejestry wartości zadanych prędkości obrotowej silnika, lub rejestry przechowujące wartość zadaną drogi kątowej wału silnika należą do grupy typowych rejestrów typu tylko zapis.
Automatyka napędów
W strukturze rejestrów RTU przewidziano rejestry umożliwiające przełączenie napędów w tryb sterowania lokalnego (układ serwomechanizmu) lub w tryb sterowania zdalnego przez zewnętrzną jednostkę sterującą. Ponieważ każdy z napędów jest niezależny to możliwy jest do wyobrażenia także przypadek, gdy jeden z napędów będzie pracował w trybie sterowania lokalnego, drugi zaś zdalnego.
Tryb sterowania lokalnego odciąża kanał komunikacyjny od ciągłego transferu wartości sygnału nastawiającego generowanego przez zewnętrzny układ sterowania. Tryb sterowania zdalnego może być wykorzystywany do realizacji sterowań niekonwencjonalnych, stosowany w fazie eksperymentalnych badań właściwości trakcyjnych napędów lub w fazie rozwijania algorytmów sterowania. W trybie sterowania lokalnego użytkownik ma do wyboru jeden z trzech regulatorów zaimplementowanych w sterowniku, a mianowicie:
* regulator przemieszczenia
* regulator prędkości
* regulator różnicy prędkości
Każdy z obu napędów ma niezależne układy regulacyjne. Mogą one mieć tylko wspólną wartość zadaną w przypadku regulatora różnicy prędkości.
Regulator przemieszczenia jest regulatorem pozycjonującym. Wymaga wprowadzenia dwóch wartości zadanych: drogi kątowej oraz prędkości i kierunku ruchu. Po przebyciu zadanej drogi kątowej przez wał silnika napędu następuje automatyczne zatrzymanie napędu, chyba, że w trakcie trwania ruchu zostanie wygenerowana następna wartość zadana przemieszczenia kątowego. Wówczas przemieszczenie wynikowe będzie sumą obu wartości zadanych, a proces wyhamowania napędu po zakończeniu realizacji pierwszej wartości zadanej będzie pominięty. Ten, w istocie pseudoinkrementalny sposób sterowania jest wygodny w praktyce gdyż pozwala na:
* tolerowanie asynchronicznego transferu wartości zadanych przez układ sterowania zewnętrznego charakterystycznego dla protokołu MODBUS RTU
* automatyczne zatrzymanie się robota w przypadku zerwania kabla, błędu oprogramowania lub awarii zewnętrznego systemu sterowania.(efekt analogiczny do mechanizmu watch-dog)
Regulator prędkości jest regulatorem o strukturze prostego regulatora o działaniu proporcjonalnym. Wymaga on dostarczania wyłącznie wartości zadanych prędkości dla każdego napędu niezależnie. Regulator nie posiada wewnętrznego układu pozwalającego na łagodną zmianę prędkości napędu w przypadku wystąpienia wymuszeń skokowych wartości zadanej.
Regulator różnicy prędkości kontroluje jednocześnie prędkość obu napędów utrzymując ich stałą prędkość. Wymaga, zatem dostarczenia tylko jednej wartości zadanej prędkości. Ze względu na nieuniknione tolerancje wykonawcze i odchyłkę regulacji sterowanie w tym trybie nie zapewnia uzyskania zerowej odchyłki trajektorii zaplanowanej od realizowanej.
Zastosowania:
* Dydaktyczne -wykorzystanie przez uczelnie wyższe o robotycznych lub informatycznych kierunkach kształcenia,
* Naukowe -wykorzystanie do opracowania nowych metod nawigacji autonomicznej, badania układów sensorycznych i algorytmów sterowania,
* Inspekcyjne -praca w miejscach trudno dostępnych (przewody wentylacyjne kanały itp.), lub niebezpiecznych,
* Specjalne -wykorzystanie przez Policję, Wojsko, Straż Pożarną do pracy w terenie niebezpiecznym dla człowieka,
* Rozrywkowe-[hobbistyczne] -wykorzystanie przez osoby prywatne (hobbistów), zainteresowane tematyką robotyki mobilnej,
* Komercyjne -sterowanie przez Internet robotem mobilnym w czasie trwania programów młodzieżowych.
Post został pochwalony 0 razy |
|
