Разработка автоматизированного мобильного робота

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

мобильный робот двигатель микроконтроллер

Открытие и освоение электричества положило начало новому виду двигателей, преобразующих электромагнитную индукцию в механическое движение. Такие двигатели, назывались электрическими. Электродвигатель, как правило, компактнее других двигателей, всегда готов к работе, может управляться на расстоянии. Кроме того, с внедрением электромоторов впервые появилась возможность не только снабдить любой станок своим собственным двигателем, но и поставить отдельный привод на каждый его узел.

Ещё одно направление освоения электричества - электроника. Развитие электроники открыло для человека новые возможности, а некоторые отрасли этой науки, такие как микроэлектроника и наноэлектроника, которые избрали направлением развития создание электрических схем с высокой производительностью и малым размером, малыми потреблениями энергии и высокой чистотой работы. Позволили уменьшить процессоры и микроконтроллеры, логические схемы и запоминающие устройства, уменьшить их электропотребление и увеличить их способности к оперированию большими объёмами информации. Новые возможности, открытые микроэлектроникой и наноэлектроникой положили начало развитию такой отрасли промышленности как робототехника, которая в свою очередь, по мнению многих учёных, откроет для человечества новые горизонты и возможности.

В настоящее время промышленные роботы плотно закрепились в отраслях машиностроения, приборостроения и других отраслях, где необходима точность сборки и высокая производительность труда. Мобильные роботы находят все более широкое применение для выполнения различных задач в условиях, когда присутствие человека в зоне их работы или невозможно по соображениям безопасности, либо же нежелательно из-за ограничения производительности обслуживаемого технологического оборудования.

Специфические особенности робототехнических устройств как управляемых объектов обусловлены в первую очередь многообразием видов действий и траекторий движений. Выбор конкретных действий из данного количества комбинаций и вариаций этих движений, важная задача которая решатся системой с помощью человека-оператора (в режиме обучения), или автоматически при наличии соответствующих управляющих программ и технических средств сбора и обработки информации о среде. Ввиду своей оперативности мобильные роботы широко используются практически во всех сферах жизнедеятельности человека, особенно в военных и промышленных областях, а также, например, при исследовании других планет.

Решения о том, как и куда будет двигаться робот, то есть планирование перемещения мобильного робота является важнейшей проблемой функционирования автономных робототехнических систем и одной из наиболее активно исследуемых областей современного научно-практического знания. Механически, робот напоминает системы с большим количеством приводов (например, на механической руке), а в таких системах прослеживается динамическое взаимодействие, которое не позволяет рассматривать систему робота как совокупность множества маленьких (равных по значимости) автономных систем. Эти особенности робототехнических устройств приводят к необходимости построения иерархических структур систем управления. С точки зрения управляющих систем возникает проблема реального времени, которая заключается в том, что вычислительная техника, даже в наше время, не успевает справиться с поставленными задачами и зачастую сдерживает темп движений робота. Эту проблему решает грамотно поставленная задача, и правильно написанный программный код.

Программирование зачастую ведётся на основе расчётов по математической модели робота, т.е. применяется так называемое аналитическое программирование.

Задание для курсового проектирования заключается в разработке автоматизированного мобильного робота, включающего в себя исполнительную систему и систему управления, выбор компонентов этих систем.



1. Обзор схемы конструкции автоматизированного мобильного робота. Выбор компонентов конструкции

Определяясь с конструкцией робота, требуется проклассифицировать его с учётом задачи обозначенной во введении. После этого подобрать подходящие материалы корпуса, двигатели и механизмы. Это позволит свести к минимуму незапланированные изменения конструкции при последующем проектировании, создании и испытании робота.

Робот (чеш. robot, от robota - подневольный труд)- автоматическое устройство, созданное по принципу живого организма. Действуя по заранее заложенной программе и получая информацию о внешнем мире от датчиков, робот самостоятельно осуществляет производственные и иные операции, обычно выполняемые человеком (либо животными). При этом робот может, как и иметь связь с оператором (получать от него команды), так и действовать автономно. [8]

1.1 Классификация роботов

Основу современного робота составляет совокупность исполнительных механизмов и устройств с системами привода, позволяющих взаимодействовать со средой при выполнении той или иной поставленной задачи.

Привод - совокупность устройств, предназначенных для приведения в действие машин и механизмов.

Функциональные возможности робота, его универсальность и соответствие характеристикам определяется в первую очередь разнообразием действий которые может выполнить робот.

Список перечня операций для выполнения, которых предназначен робот, бывает разным, в зависимости от этого списка различаются роботы специальные, специализированные и универсальные. Специальные роботы предназначены для выполнения одной конкретной задачи. Специализированные роботы могут выполнять несколько однотипных операций. Универсальные роботы могут выполнять различные основные и вспомогательные операции в пределах их технических возможностей. Увеличение степени универсальности робота расширяет область его возможных применений, но одновременно неизбежно сопровождается недоиспользованием этих возможностей на каждой конкретной операции, а также удорожанием робота. Оптимальные в этом отношении являются специальные роботы, но с другой стороны это предельно сужает их рынок, а, следовательно, и объём производства. [1]

Манипуляционный робот - автоматическая машина (стационарная или передвижная), состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и устройства программного управления, которая служит для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций. Такие роботы производятся в напольном, подвесном и портальном исполнениях. Получили наибольшее распространение в машиностроительных и приборостроительных отраслях.

Мобильный робот - это автоматическая машина, в которой имеется движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами.

Мобильные роботы могут быть колёсными, шагающими и гусеничными (существуют также ползающие, плавающие и летающие мобильные робототехнические системы) в зависимости от рода и условий эксплуатации. [3]

Классификация роботов по показателям, определяющих их конструкцию. К таким показателям относиться:

1) тип приводов;

2) грузоподъёмность;

3) количество манипуляторов;

4) тип и параметры их рабочей зоны;

5) подвижность и способ размещения;

6) использование по назначению.

Приводы, которые используются в манипуляторах и системах передвижения роботов, могут быть электрическими, гидравлическими и пневматическими. Часто их применяют в комбинации.

Грузоподъёмность робота - это грузоподъёмность его манипуляторов, а для транспортного робота ещё и его шасси.

Количество манипуляторов у роботов в большинстве случаев ограничено одним. Однако в зависимости от назначения существуют конструкции роботов без манипуляторов и с 2, 3 и совсем редко 4 манипуляторами.

Тип и параметры рабочей зоны манипулятора определяют область окружающего робот пространства, в пределах которой он может выполнять манипуляции, не передвигаясь, т.е. при неподвижном основании.

Подвижность робота определяется наличием или отсутствием у робота системы передвижения. В первом случае роботы называют мобильными, а во втором стационарными.

По способу размещения стационарные и мобильные роботы бывают напольными, подвесными и встраиваемые в другое оборудование.

Использование робота по назначению зависит от внешних условий, в которых он должен функционировать. Различают исполнение нормальное, пылезащитное, теплозащитное, влагозащитное, взрывобезопасное и т.д.

Классификация автоматических роботов по способу управления:

1) программные;

2) адаптивные;

3) интеллектуальные.

Программное устройство управления. Такие устройства функционируют по заранее заданной программе, в основном предназначены для решения однообразных задач в неизменных условиях окружения.

Адаптивное устройство управления. В таких системах управление осуществляется исходя из полученной информации о текущем состоянии внешней среды и самого робота, получаемой в процессе управления от сенсорных устройств (решают типовые задачи, и адаптируются под условия функционирования програмно исходя из данных полученых от информационной системы).

Интеллектуальное устройство управления. Эти системы для адаптации и выполнения других функций робота используют методы искусственного интеллекта. [2]

Устройства управления могут быть индивидуальными, входящими в состав каждого робота и групповыми, управляющими несколькими роботами. Конструктивно индивидуальные устройства управления выполняют обычно отдельно от механической части робота, значительно реже в общем корпусе. Мобильные роботы обычно имеют устройство управления состоящее из 2-х частей - бортовой и входящей в состав пульта оператора (или в дополнение к нему).

Подавляющее большинство роботов имеет электронные устройства управления, выполненные на микроконтроллере. Однако существуют и неэлектрические устройства управления роботов, часто реализуемых на пневматике и предназначенных для применения в особых взрывоопасных и пожароопасных условиях, также в условиях повышенных температур. [1]

1.2 Виды двигателей

Проектируя мобильного робота необходимо понимать, что он предполагает в своей конструкции двигатели (моторы), которые будут вращать и (или) передвигать части конструкции или всю конструкцию.

Двигатель (мотор) - устройство преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. [10]

Двигатели подразделяются на:

а) электродвигатели;

б) двигатели внутреннего сгорания;

в) паровые двигатели.

Разные конструкции мобильных роботов отдают предпочтения разным видам двигателей. Технологически целесообразно рассматривать электрические двигатели постоянного тока, преобразующие электрическую энергию в механическое вращение, так как они позволяют упростить программный контроль, схему и конструкцию мобильного робота.

Электродвигатели постоянного тока в свою очередь делятся на:

а) коллекторные двигатели постоянного/переменного тока;

б) бесколлекторные двигатели постоянного/переменного тока;

в) шаговые двигатели;

г) сервоприводы аналоговые/цифровые.

1.2.1 Коллекторные двигатели постоянного тока

Коллекторный электродвигатель - электрическая машина, в которой датчиком положения ротора и переключателем тока в обмотках является одно и то же устройство - щеточно-коллекторный узел. Коллекторный электродвигатель изображён на рисунке 1.

Основным достоинством коллекторных двигателей постоянного тока (ДПТ) является возможность регулирования частоты вращения в широком диапазоне, линейность механической и, в большинстве случаев, регулировочной характеристики, большой пусковой момент, высокое быстродействие, малая масса и объем на единицу полезной мощности и более высокий КПД по сравнению с двигателями переменного тока той же мощности. Недостатком коллекторных двигателей постоянного тока является наличие щеточно-коллекторного узла, что ограничивает их долговечность и является источником радиопомех. Вследствие искрения на скользящем контакте эти двигатели не пригодны для эксплуатации во взрывоопасных средах. [4]



Рисунок 1 - Коллекторный двигатель

По функциональному назначению коллекторные двигатели постоянного тока подразделяются на силовые и управляемые. В свою очередь, силовые электродвигатели выполняются со стабилизацией и без стабилизации частоты вращения.

Двигатели с центробежно-вибрационными регуляторами частоты вращения имеют стабильность в пределах ± (2-5)%. Точность стабилизации частоты вращения двигателей с электронными регуляторами зависит от принятой системы стабилизации. Статическая система стабилизации обеспечивает стабильность частоты вращения до ±0,5%, а статическая система - с точностью, определяемой стабильностью частоты эталонного источника.

Центробежный регулятор -- механизм, реализующий отрицательную обратную связь для регулировки скорости вращения в машинах разнообразных принципов действия и назначения.

Важным функциональным свойством двигателей является быстродействие, которое определяется в основном конструктивным исполнением и видом возбуждения. Двигатели с зубцовым якорем имеют постоянную времени 30-100 мс, с полым якорем 15-20 мс, с гладким и печатным якорями 5-10 мс.

Для регулирования частоты вращения двигателей с параллельным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов применяется в основном якорное управление, т.е. изменение напряжения питания якорной цепи, при этом механическая характеристика, не изменяя жесткости, смещается параллельно своему положению при U = Un0M.. Практические пределы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока составляют от 1:5 до 1:20. [3]

1.2.2 Бесколлекторные двигатели постоянного тока

Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Обращая внимание на то, что в коллекторном двигателе наоборот, обмотки находятся на роторе. Поэтому, далее в тексте ротор - магниты, статор - обмотки. Для управления двигателем применяется электронный регулятор.

Рисунок 2 - Конструкция коллекторного и бесколлекторного двигателей

Бесколлекторный двигатель не имеет коллектора, а его функции выполняет электроника. Из конструкции двигателя удаляется довольно сложный, требующий обслуживания тяжелый и искрящий узел - коллектор. Конструкция двигателя существенно упрощается (см. рисунок 2). Двигатель получается легче и компактнее. Бесколлекторный двигатель с внешним ротором в разборе изображён на рисунке 3. Значительно уменьшаются потери на коммутацию, поскольку контакты коллектора и щетки заменяются электронными ключами. В итоге получаем электродвигатель с наилучшими показателями КПД и показателем мощности на килограмм собственного веса, с наиболее широким диапазоном изменения скорости вращения.

На практике бесколлекторные двигатели греются меньше, чем их коллекторные аналоги. Переносят большую нагрузку по моменту. Применение мощных неодимовых магнитов сделали бесколлекторные двигатели еще более компактными. Конструкция бесколекторного двигателя позволяет эксплуатировать его в воде и агресивных средах (разумеется, только двигатель, подвергать регулятор воздействию влаги нельзя так как это приводит к короткому замыканию, для профилактики кароткого замыкания регулятор нужно будет герметезриновать, что соправаждаеться с большими затратами ресурсов). Бесколлекторные двигатели практически не создают радиопомех. [4]

Рисунок 3- Бесколлекторный двигатель с внешним ротором в разборе

Единственным недостатком двигателей такого типа считают сложный дорогостоящий электронный блок управления (регулятор). Однако, если необходимо управлять оборотами двигателя, без электроники никак не обойтись. Если вам не надо управлять оборотами бесколлекторного двигателя, без электронного блока управления все равно не обойтись. Бесколлекторный двигатель без электроники - просто железка, нет возможности подать на бесколлекторный двигатель напряжение и добиться нормального вращения как у других двигателей, а подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора. Поэтому электроника должна уметь определять положение ротора двигателя. Для этого применяются датчики положения. Они могут быть различного типа, оптические, магнитные и т.д. В настоящее время очень распространены дискретные датчики на основе эффекта Холла. В трехфазном бесколлекторном двигателе используется 3 датчика. Благодаря таким датчикам электронный блок управления всегда знает, в каком положении находится ротор и на какие обмотки подавать напряжение в каждый момент времени. Существуют бесколлекторные двигатели, которые не имеют датчиков. В таких двигателях положение ротора определяется путем измерения напряжения на незадействованной в данный момент времени обмотке. Данный метод актуален только при вращении двигателя. Когда двигатель не вращается или вращается очень медленно, такой метод не работает.

Трехфазные бесколлекторные двигатели наиболее распространённый вид бесколлекторных двигателей. Но они могут быть и одно, двух, трех и более фазными. Чем больше фаз, тем более плавное вращение вала двигателя, но и сложнее система управления двигателем. 3-х фазная система наиболее оптимальна по соотношению эффективность/сложность, поэтому и получила столь широкое распространение. Три обмотки соединяются по схеме "звезда" или "треугольник". [5]

1.2.3 Шаговые двигатели

Шаговый электродвигатель - это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками (см. рисунок 4.а.), в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. [5]

а) Общий вид б) Упрощённая схема

Рисунок 4 - Шаговый двигатель



Конструктивно шаговые электродвигатели (см. рисунок 4.б) состоят из статора 1, на котором расположены обмотки возбуждения 2, и ротора 3, выполненного из магнито-мягкого или из магнито-твёрдого материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

Использование магнитомягких и магнитотвёрдых материалов для ротора позволило обьеденить два вида шаговых двигателей в один, который называют гибридным шаговым двигателем. Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.

Статор гибридного двигателя также как и другие виды шаговых двигателей имеет зубцы, обеспечивая уменьшения градуса поворота ротора шагового двигателя за один шаг (см. рисунок 5). Обычно используются 4 основных полюса для шага с поворотом ротора на 3,6 градусов, 5-8 основных полюсов для 1,8-0,9 градусов.

1 - зубцы статора, 2 - зубцы ротора

Рисунок 5 - Перемещение ротора ШД на шаг при а) отсутствии и б) наличии зубцов на статоре и роторе

Ротор гибридного двигателя также имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки - южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними. Шаговые двигатели создают сравнительно высокий момент при низких скоростях вращения. Момент существенно падает при увеличении скорости вращения. Однако динамические характеристики двигателя могут быть существенно улучшены при использовании электрических схем управления использующие ШИМ, со стабилизацией тока.

Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме, или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задаётся последовательностью электрических импульсов, например, в станках с ЧПУ. В отличие от сервоприводов, шаговые приводы позволяют получать точное позиционирование без использования обратной связи от датчиков углового положения. Шаговые двигатели с постоянными магнитами могут использоваться в качестве датчиков угла поворота благодаря возникновению ЭДС на обмотках при вращении ротора.

Преимущества шаговых двигателей:

Главное преимущество шаговых двигателей - это точность. При подаче потенциалов на обмотки ротор шагового двигателя повернется строго на определенный угол. Шаговый двигатель дешевле сервоприводов, и как недорогая альтернатива сервопривода, он наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика.

Недостатки шаговых двигателей:

Возможность "проскальзывания" ротора - наиболее известная проблема этих двигателей. Это может произойти при превышении нагрузки на валу, при неверной настройке управляющей программы (например, ускорение старта или торможения не адекватно перемещаемой массе), при приближении скорости вращения к резонансной. Электрически это никак не может быть замечено, поэтому контроллер все последующие движения будет производить с ошибкой. Для ответственных применений устанавливают датчики обратной связи (контроль вращения или перемещения), но такие датчики достаточно дороги. Наличие датчика позволяет обнаружить проблему, но автоматически скомпенсировать её без остановки производственной программы возможно только в очень редких случаях. [6]

1.2.4 Сервоприводы

Сервопривод - это электромотор с редуктором, управляемый через отрицательную обратную связь, которая точно управлять параметрами движения. Сервопривод изображён на рисунке 6.

Рисунок 6 - Сервопривод

Сервоприводы различаются по размерам. И хотя официальной классификации не существует, производители давно придерживаются нескольких размеров с общепринятым расположением крепёжных элементов.



Таблица 1 - Габариты сервоприводов

Габариты	Вес	Линейные размеры
Маленькие	8-25 грамм	22Ч15Ч25 мм
Стандартные	40-80 грамм	40Ч20Ч37 мм
Большие	50-90 грамм	49Ч25Ч40 мм

Бывают ещё так называемые сервоприводы "специального вида" с габаритами, не попадающими в данную классификацию, однако процент таких сервоприводов весьма мал.

Сервоприводы бывают аналоговые и цифровые. Внешне они ничем не отличаются: электромоторы, редукторы, потенциометры у них одинаковые, различаются они лишь внутренней управляющей электроникой. Вместо специальной микросхемы аналогового сервопривода у цифрового аналога можно заметить на плате микропроцессор, который принимает импульсы, анализирует их и управляет мотором. Таким образом, в физическом исполнении отличие лишь в способе обработки импульсов и управлении мотором.

Оба типа сервопривода принимают одинаковые управляющие импульсы. После этого аналоговый сервопривод принимает решение, надо ли изменять положение вала, и в случае необходимости посылает сигнал на мотор. Происходит это обычно с частотой 50 Гц. Таким образом, получаем 20 мкс - это минимальное время реакции. В это время любое внешнее воздействие способно изменить положение вала сервопривода. В состоянии покоя (когда нет необходимости вращать вал) на электромотор не подаётся напряжение, в случае небольшого отклонения положения вала на электромотор подаётся короткий сигнал малой мощности и чем больше отклонение положения вала, тем мощнее подающийся на электромотор сигнал. Таким образом, при малых отклонениях сервопривод не сможет быстро вращать мотор или развивать большой момент для возвращения вала в положение равновесия. Образуются "мёртвые зоны" по времени и расстоянию. Подобные проблемы можно решать за счёт увеличения частоты приёма, обработки сигнала и управления электромотором. Цифровые сервоприводы используют специальный процессор, который получает управляющие импульсы, обрабатывает их и посылает сигналы на мотор с частотой 200 Гц и более. Это позволяет цифровому сервоприводу быстрее реагировать на внешние воздействия, быстрее развивать необходимые скорость и крутящий момент, а значит, лучше удерживать заданную позицию. Конечно, при этом он потребляет больше электроэнергии. Также цифровые сервоприводы сложнее в производстве, а потому стоят заметно дороже. Собственно, эти два недостатка - все минусы, которые есть у цифровых сервоприводов. В остальном они безоговорочно побеждают аналоговые сервоприводы. [7]

1.3 Выбор микроконтроллера

Микроконтроллер является важной частью мобильного робота. Используя микроконтроллер в качестве ключевого вычислительного и логического устройства управляющей системы мобильного робота, возникает потребность в высокой частоте работы, и больших объемах оперативной памяти этого микроконтроллера.

Существует множество микроконтроллеров и уже готовых печатных плат позволяющих упрощает процесс работы с микроконтроллерами и осуществлять физические вычисления, такие печатные платы предлагают схожую функциональность. Все эти устройства объединяют разрозненную информацию о программировании и создают из неё удобную в использовании конструкцию. Выбранная для рассмотрения микроконтролльная печатная плата (марки Ардуино (англ. Arduino)), в свою очередь, тоже упрощает процесс работы с микроконтроллерами.

Микроконтроллеры "ATMEGA8" и "ATMEGA168" (см. рисунок 7) являются основой для печатных плат марки "Ардуино" (пример печатной платы представлен на рисунке 8). [2]

Выбранная для рассмотрения микроконтроллерная печатная плата имеет ряд преимуществ перед другими устройствами для потребителя:

Простая и понятная среда программирования - среда программирования микроконтроллерных печатных плат, марки "Ардуино", подходит как для начинающих разработчиков, так и для опытных. Программное обеспечение (ПО) с возможностью расширения и открытым исходным текстом, это значит, что среда программирования микроконтроллерных печатных плат марки "Ардуино" выпускается как программа, которая может быть изменена опытными пользователями по необходимости.

Рисунок 7 - Микроконтроллеры

Язык программирования может дополняться библиотеками C++. Также при необходимости разработчик имеет возможность перейти на язык "AVR C" на котором основан язык "C++". Соответственно, имеется возможность добавить код из среды "AVR-C" в программу программирования микроконтроллерных печатных плат.

Аппаратные средства имеют возможность расширения так как принципиальные схемы выложены в свободный доступ. Микроконтроллеры "ATMEGA8" и "ATMEGA168" (см. Рисунок 7) являются основой для печатных плат марки "Ардуино" (пример печатной платы представлен на Рисунке 8). Схемы микроконтроллерных печатных плат, марки "Ардуино", выпускаются с лицензией, а значит, опытные инженеры имеют возможность создания собственных версий таких устройств, расширяя и дополняя их. Даже обычные пользователи могут разработать опытные образцы с целью экономии средств. Топологии данных печатных плат находятся в свободном доступе. [9]

Рисунок 8- Микроконтроллерная печатная плата (торговой марки "Arduino")



Вывод

Судя по классификации (представленной в пункте 1.1) и обозначенной во введении задачи, материалом корпуса может быть любой материал используемый для конструкций твёрдотельных роботов. Для экономии денег и создания малогобаритного лёгкого робота хорошо подойдёт пластик. В качестве основного двигателя мобильного робота хорошо подойдёт простой в управлении, достаточно мощный и имеющий большой КПД - коллекторный электродвигатель постоянного тока. Для рулевого управления подойдёт точный и с хорошим моментом силы сервопривод.

В качестве управляющей системы была выбрана Микроконтроллерная печатная плата "Arduino Uno" которая обладает необходимым количеством вход/выходов и необходимой оперативной памятью и частотой работы.



2. Теоретическая часть

2.1 Коллекторные электродвигатели

Коллекторный электродвигатель - электрическая машина, в которой датчиком положения ротора и переключателем тока в обмотках является одно и то же устройство - щеточно-коллекторный узел.

Самые маленькие двигатели данного типа (единицы Ватт) содержат в корпусе:

1) трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;

2) коллекторный узел из двух щёток -- медных пластин;

3) двухполюсной статор из постоянных магнитов.

По функциональному назначению коллекторные двигатели постоянного тока (ДПТ) подразделяются на силовые и управляемые. В свою очередь, силовые электродвигатели выполняются со стабилизацией и без стабилизации частоты вращения. А управляемые коллекторные двигатели регулируют частоту вращения двигателя с помощью электроники.

Двигатели с центробежно-вибрационными регуляторами частоты вращения имеют стабильность в пределах ±2-5%. Точность стабилизации частоты вращения двигателей с электронными регуляторами зависит от принятой системы стабилизации. Статическая система стабилизации обеспечивает стабильность частоты вращения до ±0,5%, астатическая система - с точностью, определяемой стабильностью частоты эталонного источника.

Важным функциональным свойством двигателей является быстродействие, которое определяется в основном конструктивным исполнением и видом возбуждения. Двигатели с зубцовым якорем имеют постоянную времени 30-100 мс, с полым якорем 15-20 мс, с гладким и печатным якорями 5-10 мс. [4]

Одним из основных требований, предъявляемых к исполнительному двигателю, является его быстродействие. Время разгона исполнительного двигателя определяется главным образом электромеханическими процессами, так как из-за значительного активного сопротивления ротора электромагнитные переходные процессы, происходящие в двигателях очень быстротечны. Обычно быстродействие двигателя характеризует его электромеханическая постоянная времени Тм, которая примерно на порядок выше электромагнитной постоянной времени Тэм=L/R, обусловленной индуктивностью двигателя. Значение Тм определяется из условий разгона ротора двигателя при статическом моменте на валу Мст=0. При этом основное уравнение динамики

M = Мст + J dщ/dt (2.1)

принимает вид:

M = J dщ/dt (2.2)

Где

J -- момент инерции вращающихся масс.

Для идеализированного двигателя при линейной механической характеристике

М = Мп (1 - щ/щ0) (2.3)

Где

Мп -- пусковой момент; щ0 -- угловая скорость холостого хода.

Следовательно, с учетом (2.3) уравнение (2.2) можно представить в виде



Мп (1 - щ/щ0) = J dщ/dt (2.4)

dщ/(щ0 - щ) = Мп dt/(J щ0) = (1/Тм) dt (2.5)

Тм = J щ0 /Мп (2.6)

Решая (2.5), получаем уравнение

щ = щ0(1 - е-t/Тм) (2.7)

по которому можно построить кривую разгона двигателя (см. рисунок 9). Из нее видно, что угловая скорость вращения щ стремится асимптотически к установившемуся значению щ0; при t = Тм угловая скорость щ = щ0(1-е-1) = 0,633щ0. Следовательно, постоянную Тм можно рассматривать как время разгона двигателя до угловой скорости, соответствующей 0,633щ0

Двигатели с зубцовым якорем имеют постоянную времени 30-100 мс, с полым якорем 15-20 мс, с гладким и печатным якорями 5-10 мс. [4]

Рисунок 9 - Кривая разгона двигателя

По некоторым мнениям коллекторные электродвигатели постоянного тока можно еще назвать синхронной машиной постоянного тока с самосинхронизацией. Простейший двигатель (см.рисунок 10), являющийся машиной постоянного тока, состоит из постоянного магнита на индукторе (статоре), одного электромагнита с явно выраженными полюсами на якоре (двухзубцового якоря с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой), щёточноколлекторного узла с двумя пластинами (ламелями) и двумя щётками.

Рисунок 10 - Устройство простейшего колекторного двигателя постоянного тока

Простейший двигатель имеет два положения ротора (две "мёртвые точки"), из которых невозможен самозапуск, и неравномерный крутящий момент. В первом приближении магнитное поле полюсов статора равномерное (однородное). Из-за наличия угловой ширины щёток и углового зазора между пластинами (ламелями) коллектора в двигателе этой конструкции имеются динамически постоянно короткозамкнутые щётками части обмотки ротора. Число короткозамкнутых частей обмотки ротора равно числу щёток. Эти короткозамкнутые части обмотки ротора не участвуют в создании общего крутящего момента.

Статор (англ. stator,от лат. sto -стою) - это неподвижная часть электрической машины, взаимодействующая с подвижной частью - ротором. [10]

Ротор (от лат. roto - вращаться) - это вращающаяся часть электрического двигателя. [10]

Минимальное число зубцов ротора, при котором само запуск возможен из любого положения ротора - три. Из трёх, кажущихся явно выраженными, полюсов, на самом деле один полюс всё время находится в зоне коммутации, то есть ротор имеет минимум одну пару полюсов (как и статор, так как в противном случае работа двигателя невозможна). Ротор любого коллекторного электродвигателя состоит из многих катушек, на часть которых подаётся питание, в зависимости от угла поворота ротора, относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек, необходимо для уменьшения неравномерности крутящего момента, для уменьшения коммутируемого (переключаемого) тока, и для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (то есть для создания максимального момента на роторе).

Щеточно-коллекторный узел - узел электрической машины, обеспечивающий электрическое соединение цепи ротора с цепями, расположенными в неподвижной части машины. Состоит из коллектора (набора контактов, расположенных на роторе) и щёток (скользящих контактов, расположенных вне ротора и прижатых к коллектору) (см. рисунок 11).

Рисунок 11 - Графитовые щетки

Выводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов (ламелей), расположенных по оси (вдоль оси) ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла. Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора.

Щётка - неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый).

Щётки с большой частотой размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора. Как следствие, при работе ДПТ происходят переходные процессы в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает надёжность ДПТ. Для уменьшения искрения применяются различные способы, основным из которых является установка добавочных полюсов.

При больших токах в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или "круговой огонь". Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора недопустим. При проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.

Основные формулы, используемые при управлении ДПТ:

Скорость двигателя:

(2.8)

где, U - подводимое к обмотке якоря напряжение,

I - ток обмотки якоря,

R - сопротивление цепи якоря,

C - конструктивная постоянная,

Ф - поток, создаваемый обмоткой возбуждения.

Крутящий момент, развиваемый двигателем с независимым (параллельным) возбуждением, пропорционален току в обмотке якоря (ротора) (для двигателей последовательного возбуждения - момент приближённо пропорционален квадрату тока, так как поток пропорционален почти току):

(2.9)

Противо ЭДС в обмотках якоря пропорциональна угловой частоте вращения ротора b при постоянном потоке возбуждения Ц:

(2.10)

где, - коэффициент ЭДС двигателя,

- угловая скорость вращения ротора.

Общие способы управления ДПТ:

1) изменение напряжения подводимого к обмотке якоря;

2) введение добавочного сопротивления в цепь якоря;

3) изменение потока. [4]

2.2 Принцип действия сервопривода

Сервопривод - это электромотор с редуктором с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения. Сервоприводом является любой тип механического привода, имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т.п.) и блок управления приводом, автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике и устройстве согласно заданному внешнему значению.

Последовательность действий сервопривода:

1) сервопривод получает на вход значение управляющего параметра (например, угол поворота);

2) блок управления сравнивает это значение со значением на своём датчике;

3) на основе результата сравнения привод производит некоторое действие, например: поворот, ускорение или замедление так, чтобы значение с внутреннего датчика стало как можно ближе к значению внешнего управляющего параметра.

Наиболее распространены сервоприводы, которые удерживают заданный угол и сервоприводы, поддерживающие заданную скорость вращения.

Чтобы преобразовать электричество в механический поворот, необходим электромотор. Однако зачастую скорость вращения мотора бывает слишком большой для практического использования. Для понижения скорости используется редуктор: механизм из шестерней, передающий и преобразующий крутящий момент (см. рисунок 12).

Рисунок 12 - Составная часть сервоприводов

Включая и выключая электромотор, можно вращать выходной вал - конечную шестерню сервопривода, к которой можно прикрепить нечто, чем мы хотим управлять. Однако, для того чтобы положение контролировалось устройством, необходим датчик обратной связи - энкодер, который будет преобразовывать угол поворота обратно в электрический сигнал. Для этого часто используется потенциометр. При повороте бегунка потенциометра происходит изменение его сопротивления, пропорциональное углу поворота. Таким образом, с его помощью можно установить текущее положение механизма.

Кроме электромотора, редуктора и потенциометра в сервоприводе имеется электронная начинка, которая отвечает за приём внешнего параметра, считывание значений с потенциометра, их сравнение и включение/выключение мотора. Она-то и отвечает за поддержание отрицательной обратной связи.

К сервоприводу тянется три провода. Два из них отвечают за питание мотора, третий доставляет управляющий сигнал, который используется для выставления положения устройства.

Чтобы указать сервоприводу желаемое положение, по предназначенному для этого проводу необходимо посылать управляющий сигнал.

Управляющий сигнал - импульсы постоянной частоты и переменной ширины. То, какое положение должен занять сервопривод, зависит от длины импульсов. Когда сигнал поступает в управляющую схему, имеющийся в ней генератор импульсов производит свой импульс, длительность которого определяется через потенциометр. Другая часть схемы сравнивает длительность двух импульсов. Если длительность разная, включается электромотор. Направление вращения определяется тем, какой из импульсов короче. Если длины импульсов равны, электромотор останавливается (см. рисунок 13).

Рисунок 13 - Импульсы постоянной частоты и переменной ширины



Чаще всего в сервомоторах импульсы производятся с частотой 50 Гц. Это значит, что импульс испускается и принимается раз в 20 мс. Обычно при этом длительность импульса в 1520 мкс означает, что сервопривод должен занять среднее положение. Увеличение или уменьшение длины импульса заставит сервопривод повернуться по часовой или против часовой стрелки соответственно. При этом существуют верхняя и нижняя границы длительности импульса. В "библиотеке" "Servo.ch" для программирования по умолчанию выставлены следующие значения длин импульса: 544 мкс - для 0° и 2400 мкс - для 180°.

Для управления сервоприводами используется ШИМ модуляция. В англоязычных странах корректным термином является - "PDM" (Pulse Duration Modulation). В нём крайне важна длина импульсов и не так важна частота их появления. 50 Гц - это норма, но сервопривод будет работать корректно и при 40, и при 60 Гц. Единственное, что нужно при этом иметь в виду - это то, что при сильном уменьшении частоты он может работать рывками и на пониженной мощности, а при сильном завышении частоты (например, 100 Гц) может перегреться и выйти из строя.

Рисунок 14 - Действие сил на плечо сервопривода

Момент силы, или крутящий момент - векторная физическая величина, равная произведению радиус-вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы (см. рисунок 14). Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело, это показывает насколько тяжёлый груз сервопривод способен удержать в покое на рычаге заданной длины. Если крутящий момент сервопривода равен 5 кг•см, то это значит, что сервопривод удержит на весу в горизонтальном положении рычаг длины 1 см, на свободный конец которого подвесили 5 кг. Или, что эквивалентно, рычаг длины 5 см, к которому подвесили 1 кг.

Скорость сервопривода измеряется интервалом времени, который требуется рычагу сервопривода, чтобы повернуться на 60°. Характеристика 0,1 с/60° означает, что сервопривод поворачивается на 60° за 0,1 с. Из неё несложно вычислить скорость в более привычной величине, оборотах в минуту, но так сложилось, что при описании сервоприводов чаще всего используют такую единицу. [7]

Стоит отметить, что иногда приходится искать компромисс между этими двумя характеристиками, так как если мы хотим надёжный, выдерживающий большой вес сервопривод, то мы должны быть готовы, что эта могучая установка будет медленно поворачиваться. А если мы хотим очень быстрый привод, то его будет относительно легко вывести из положения равновесия. При использовании одного и того же мотора баланс определяет конфигурация шестерней в редукторе.

Сервоприводы бывают аналоговые и цифровые. Внешне они ничем не отличаются: электромоторы, редукторы, потенциометры у них одинаковые, различаются они лишь внутренней управляющей электроникой и поступающим сигналом (см. рисунок 15).

Рисунок 15 - Тип сигнала сервопривода



Вместо специальной микросхемы аналогового сервопривода у цифрового аналога можно заметить на плате микропроцессор, который принимает импульсы, анализирует их и управляет мотором. Таким образом, в физическом исполнении отличие лишь в способе обработки импульсов и управлении мотором. [7]



3. Программирование микроконтроллера

Целью программирования управляющего устройства мобильного робота является обеспечение желаемой траекторию движения робота, когда он следует по планируемому пути в соответствии с управляющими воздействиями.

Большинство исследований, посвященных проблеме планирования перемещения робота без столкновения с препятствиями на его пути на основе нечеткой логики, проводились в условиях известной окружающей среды.

Решение рассматриваемой проблемы с помощью нечеткой логики является общепризнанным, так как в этом случае механизм принятия решения всегда позволяет генерировать ответные движения робота, вызванные появлением препятствия на его пути.

Самая простейшая модель нечеткой логики вырабатывает требуемый выходной сигнал без какого-либо обучения.

При выполнении многих задач и операций к роботам предъявляют жесткие требования по плавности и точности выполняемых движений.

Как правило, контур регулирования образован механическими передачами, датчиком обратной связи, блоком сравнения информационного устройства с текущими значениями датчиков, усилительно-преобразовательным устройством в функции которого входит усиление сигнала датчиков, рассогласования с предыдущими значениями полученного от информационного устройства и преобразование его в параметры механического движения.

Очевидно, точность и плавность выполняемых движений в системе мобильного робота определяется качеством всех указанных выше элементов.

Система управления содержит полный набор необходимых для создания робота автоматических устройств и систем, наиболее полно отвечающего функциональным требованиям.

Упомянутые выше задачи чаще всего решаются в автоматическом режиме с помощью соответствующих технических устройств и программ написанных индивидуально под данный образец. [1]

3.1 Концепция программирования

Программирование ведется целиком через собственную программную оболочку (IDE), бесплатно доступную с сайта Ардуино. В этой оболочке имеется текстовый редактор, менеджер проектов, препроцессор, компилятор и инструменты для загрузки программы в микроконтроллер. Оболочка написана на "Java" на основе проекта "Processing", работает под "Windows", "Mac OS X" и "Linux". [9]

3.2 Язык программирования

Язык программирования Ардуино является стандартным C++ (используется компилятор "AVR-GCC") с некоторыми особенностями, облегчающими новичкам написание первой работающей программы.

Программы, написанные программистом Ардуино, называются скетчи и сохраняются в файлах с расширением ino. Эти файлы перед компиляцией обрабатываются препроцессором Ардуино. Также существует возможность создавать и подключать к проекту стандартные файлы C++.

Обязательную в C++ функцию "main()" препроцессор Ардуино создает сам, вставляя туда необходимые "черновые" действия. Программист должен написать две обязательные для Ардуино функции "setup()" и "loop()". Первая вызывается однократно при старте, вторая выполняется в бесконечном цикле.

В текст своей программы (скетча) программист не обязан вставлять заголовочные файлы используемых библиотек. Эти заголовочные файлы добавит препроцессор Ардуино в соответствии с конфигурацией проекта. Менеджер проекта "Arduino IDE" имеет нестандартный механизм добавления библиотек. Библиотеки в виде исходных текстов на стандартном C++ добавляются в специальную папку в рабочем каталоге "IDE". При этом название библиотеки добавляется в список библиотек в меню "IDE". Программист отмечает нужные библиотеки и они вносятся в список компиляции. "Arduino IDE" не предлагает никаких настроек компилятора и минимизирует другие настройки, что упрощает начало работы для новичков и уменьшает риск проблем.

Простейшый програмный код состоит из двух функций:

а) "setup()": функция вызывается однократно при старте микроконтроллера.

б) "loop()": функция вызывается после "setup()" в бесконечном цикле все время работы микроконтроллера.

Все используемые в примере функции являются библиотечными. В комплекте "Arduino IDE" имеется множество примеров программ. Существует перевод документации по "Arduino" на русский язык. Программирование осуществляется на высокоуровневых языках программирования а точнее на языке "Wiring" который обладает нужным набором библиотек для создания программной части большинства устройств основанного на микроконтроллерах "ATmega32u4".

3.2.1 Загрузка программы в микроконтроллер

Закачка программы в микроконтроллер Ардуино происходит через предварительно запрограммированный специальный загрузчик (все микроконтроллеры от Ардуино продаются с этим загрузчиком). Загрузчик создан на основе микроконтроллера "Atmel AVR Application Note AN109". Загрузчик может работать через интерфейсы "RS-232", "USB" или "Ethernet" в зависимости от состава периферии конкретной процессорной платы. В некоторых вариантах, таких как "Arduino Mini" или неофициальной "Boarduino", для программирования требуется отдельный переходник.

Пользователь может самостоятельно запрограммировать загрузчик в чистый кристалл. Для этого в "IDE" интегрирована поддержка программатора на основе проекта "AVRDude". Поддерживается несколько типов популярных дешёвых программаторов. [9]



Заключение

В соответствии и заданием на курсового проектирования была выбрана исполнительная система, а именно двигатели, обеспечивающие необходимые параметры мощности и напряжения питания, и система управления, включающая в себя микроконтроллерную печатную плату, обеспечивающую необходимую частоту работы автоматизированным мобильным роботом. Были рассмотрены основные типы устройств, которые могли быть выбраны для реализации данного проекта. Во время литературного обзора были выбраны виды устройств обладающих необходимыми параметрами, позволяющими с наименьшими затратами поучить приемлемый результат. После были приведены конструкции и принцип действия каждого из выбранных устройств. Приведенные устройства удовлетворяют потребностям обеспечения приемлемых режимов работы.

Коллекторные двигатели, обладающие высоким КПД и хорошее соотношение: вес, мощности, напряжения питания и энергопотребления - позволяют их использовать для малогабаритных мобильных роботов. Их использование позволяет добиться высоких мощностей при малых габаритах и малом весе.

Сервоприводы обладают ещё меньшим потреблением электроэнергии и высоким моментом силы и с помощью не сложной конструкции отлично управляют направлением движения мобильного робота. Это позволяет с помощью простых вспомогательных механизмов поворачивать колеса, отвечающие за направление движения.

Выбранный программируемый микроконтроллер отвечает нашим потребностям по производительности и функциональным возможностям. Управляющая система на этом микроконтроллере позволит нам добиться лёгкости в управлении, а так же, в настройке и отладке мобильного робота, что позволит расширить возможности его использования, что приветствуется при создании адаптивных роботов.

Выбранная схема конструкция и компоненты, были воссозданы и проверены.

Таким образом, цели и задачи курсового проектирования были достигнуты.



Список используемой литературы

1. Теоретические основы робототехники. В 2 кн. / А.И. Корендясев, Б.Л. Саламандра, Л.И. Тывес; Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Р.А.Н. - М.: Наука, 2006. Кн. 1.

2. Основы робототехники / Е.И. Юревич; 2-е издание перераб. и доп. СТб: БХВ - Петербург, 2005.

3. Теоретические основы робототехники. В 2 кн. / А.И. Корендясев, Б.Л. Саламандра, Л.И. Тывес; Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Р.А.Н. - М.: Наука, 2006. Кн. 2.

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Коллекторный_электродвигатель

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Вентильный_двигатель

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Шаговый_электродвигатель

7. http://wiki.amperka.ru/робототехника:сервоприводы

8. https://ru.wikipedia.org/wiki/Робот

9. http://arduino.cc/en/Main/Software

10. https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатели

Размещено на Allbest.ru