МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
(НПИ) имени М.И. Платова»
ФАКУЛЬТЕТ
___________________________________________________
Механический
КАФЕДРА
Мехатроника и гидропневмоавтоматика
___________________________________________________
15.03.06 Мехатроника и робототехника
НАПРАВЛЕНИЕ ПОДГОТОВКИ ____________________________________
УТВЕРЖДАЮ:
Заведующий кафедрой МиГПА
___________ Шошиашвили М.Э.
(подпись)
(ФИО)
«____» ______2020г.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К БАКАЛАВРСКОЙ РАБОТЕ
НА ТЕМУ:РОБОТ ДЛЯ ИНСПЕКЦИИ ВЫСОТНЫХ ЗДА-
НИЙ И СООРУЖЕНИЙ
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
АВТОР БАКАЛАВРСКОЙ РАБОТЫ
Сазонов Федор Сергеевич
_____________________________________________________________________
(Фамилия, Имя, Отчество полностью)
(подпись)
РУКОВОДИТЕЛЬ БАКАЛАВРСКОЙ РАБОТЫ
Доцент кандидат технич. наук
Круглова Татьяна Николаевна ____________________________________
(Фамилия, Имя, Отчество полностью)
(подпись)
Консультанты:
Наименование раздела (вопроса) должность, уч. степень, ф.и.о., подпись
_______________________________________________________________________
подпись)
Технологическая часть
доцент кандидат технич. наук Круглова Т.Н.
_______________________________________________________________________
(подпись)
Проектно-конструкторская часть профессор, доктор технич. наук Шошиашвили М.Э.
______________________________________________________________________
(подпись)
_______________________________________________________________________
Исследовательская часть
доцент кандидат технич. наук Круглова Т.Н.
(подпись)
Новочеркасск, 2020 г.
1
(подпись)
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (НПИ) имени М.И. Платова»
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
_________________
ФАКУЛЬТЕТ
МЕХАНИЧЕСКИЙ
КАФЕДРА
МЕХАТРОНИКА И ГИДРОПНЕВМОАВТОМАТИКА
НАПРАВЛЕНИЕ ПОДГОТОВКИ 15.03.06 МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИКА
УТВЕРЖДАЮ:
Заведующий кафедрой МиГПА
________ Шошиашвили М.Э.
(подпись)
(ФИО)
«____» ______2020г.
ЗАДАНИЕ
на бакалаврскую работу
Студенту: Сазонову Федору Сергеевичу
1.Тема бакалаврской работы:
РОБОТ ДЛЯ ИНСПЕКЦИИ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Тема бакалаврской работы утверждена приказом ректора № 497-ЛС от 27.03.2020 г.
2. Консультанты бакалаврской работы:
Наименование раздела, должность, ученая степень, ученое звание, ФИО
2.1 Технологическая часть – доцент. МиГПА, к.т.н., Круглова Т.Н.
2.2 Проектно-конструкторская часть – профессор. МиГПА, д.т.н., Шошиашвили М.Э.
2.3 Исследовательская часть – доцент. МиГПА, к.т.н., Круглова Т.Н.
3. Исходные данные к бакалаврской работе:
3.1. Объект проектирования – Робот для инспекции высотных зданий и сооружений.
3.2. Схема ГСУ – параллельная
3.3. Энергетические установки: двигатель постоянного тока.
3.4. Мощность электрической силовой установки, Вт – не более 200.
4. Содержание бакалаврской работы
4.1. Технологическая часть – проблемы инспекции высотных зданий и необходимость
разработки робота .
4.2. Проектно-конструкторская часть – схемы робота. Выбор дпт для ходовой робота и лебёдки. Определение усилий и мощности энергетических установок. Выбор
микропроцессорной системы управления роботом.
4.3. Исследовательская часть – разработка математической модели электродвигателя
2
робота и его моделирование на ЭВМ.
5. Презентационная часть
Представить электронную презентацию в программе Microsoft Power Point, в которой следует отразить:
– название выпускной квалификационной работы, фамилия и инициалы исполнителя,
данные руководителя;
– проблему, задачи исследований;
– основные результаты проектирования и исследований;
– выводы по работе.
Общее количество слайдов – до 20.
6. Срок сдачи студентом законченной бакалаврской работы 15 июня 2020 г.
7. Дата выдачи задания на бакалаврскую работу 10 февраля 2020 г.
Руководитель Круглова Татьяна Николаевна
(Фамилия, имя, отчество)
_______________________
__
(Подпись)
Задание принял к исполнению 10 февраля 2020 г.
________________________
(Дата)
(Подпись)
3
АННОТАЦИЯ
Данная работа посвящена разработке робота для проведения инспекции
высотных зданий и сооружений. Для решения данной задачи спроектирован
робот, способный автономно фиксировать дефекты внешних частей здания, с
помощью машинного зрения.
Далее составлен алгоритм поиска неисправностей, предварительная 3D
– модель робота и по расчетам выбраны комплектующие.
4
Ведомость выпускной работы
5
Кол.
Зона
Поз.
Формат
Обозначение
Наименование
Примечание
Текстовые документы
А4
1
150306ВКР20.104.00.00.ПЗ
Пояснительная записка
67
Графическая часть
(в форме презентации)
2
150306ВКР20.104.00.00.ПР
Электронная презентация
15
Подп.и дата
Взам.инв.№
Инв.№дубл.
Подп.и дата
А1
№докум.
Подпись
Студент Сазонов ФС
Консул.
Круглова ТН
Руковод.
Круглова ТН
Нконтр
Кремер ВС
Шошиашвили МЭ
Утв
Инв.№подл.
Изм Лист
150306ВКР20.104.00.00.ПЗ
Дата
Лит.
Робот для инспекции высотных
зданий и сооружений
(ведомость ВКР)
6
Лист
1
Листов
1
Ю
РГПУ (НПИ)
МФ-150306-Ма-о16
Оглавление
ЗАДАНИЕ ............................................................................................................................................... 2
АННОТАЦИЯ ........................................................................................................ 4
Ведомость выпускной работы ............................................................................ 5
Введение .................................................................................................................................................. 8
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ................................................................ 10
1.1 Задача автоматизации процесса диагностики..............................................................................10
1.2 Анализ существующих конструкций роботов для инспекции зданий и сооружений ...............10
1.3 Описание технологического процесса инспекции высотных зданий и сооружений ................12
1.4 Техника безопасности приведении высотных работ ...................................................................15
1.5 Выводы по главе 1 ...........................................................................................................................17
2. РАСЧЕТНО – КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ ...................................... 18
2.1 Концепция проектируемого робота ..............................................................................................18
2.2 Расчет горизонтальной степени подвижности робота ................................................................23
2.2.1 Расчем механихма шестерня – рейка ходовой части робота.............................................23
2.2.2 Выбор электродвигателя горизонтальной степени подвижности....................................26
2.3 Расчет вертикальность степени подвижности робота .................................................................29
2.3.1 Расчет лебедки .........................................................................................................................29
2.3.2 Выбор электродвигателя вертикальной степени подвижности робота .........................32
2.4 Разработка микропроцессорной системы управления роботом................................................36
2.4.1 Датчики робота .......................................................................................................................36
2.4.2 Вывод микропроцессора для системы управления роботом ...............................................39
2.5 Структурная схема системы управления роботом .......................................................................41
2.6 Описание работы микропроцессорной системы управления роботом .....................................43
2.7 Разработка функциональной схемы системы управления роботом ..........................................50
2.8 Драйвер двигателей ........................................................................................................................52
2.9 Принципиальная схема микропроцессорной системы управления роботом ..........................56
2.11 Алгоритм управления роботом ....................................................................................................58
Вывод по главе 2....................................................................................................................................59
3. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ ............................................................. 60
3.1 Изучение статических и динамических свойств привода вертикальной степени подвижности
.................................................................................................................................................................60
3.2 Синтез и настройка ПИ-регулятора скорости ................................................................................64
Вывод по главе 3....................................................................................................................................68
7
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 69
Список используемой литературы .......................................................................................................70
Введение
Сегодня уже трудно себе представить современный мегаполис без зданий, упирающихся в облака. Архитектурные гиганты, представляющие собой
различные вариации на тему стекла, бетона и металла, – непременный атрибут
крупнейших мировых городов.
До 1950-х годов высотные здания строились исключительно в США.
Прародителем современных небоскребов следует считать 9-этажное офисное
здание, построенное во второй половине XIX века в Чикаго — городе, который
в течение 4 - 5 поколений из небольшого поселения превратился в крупный
индустриальный центр и долгое время диктовал всему миру моду на архитектурный стиль многоэтажек. Автором первой «высотки» был Уильям Ле Барон
Дженни - преподаватель одного из основоположников «Чикагской архитектурной школы» (1883—1893), родоначальника рационалистического направления в архитектуре Луиса Салливена. построенный в 1887— 89 годах по проекту Л. Салливена многофункциональный комплекс Auditorium с 17-этажной
башней теоретики архитектуры относят к периоду функционально-технического освоения нового типа сооружений и выработки эстетического подхода к
композиции подобных объектов.
В связи с бурным строительством высотных зданий стала актуальна тема
инспекции. Инспекция высотных зданий и сооружений" на сегодня является
одной из самых актуальных тем в сфере строительства. От этого зависит безопасность и жизни людей, находящихся в здании (сооружении).
Технический регламент о безопасности зданий и сооружений(№384-ФЗ
от 30.12.2009) содержит требование к обеспечению безопасности зданий и сооружений при опасных природных процессах и явлениях и техногенных воздействиях. Законом предусмотрена необходимость проведения, в процессе их
8
строительства и эксплуатации, мониторинга влияния окружающей среды, технического состояния основания, строительных конструкций и инженерных систем. Информация об этом должна быть предусмотрена в проектной документации.
Мониторингу подлежат сооружения с повышенной ответственностью (ст.
48.1 Градостроительного кодекса РФ), в том числе объекты атомной энергетики, гидротехнические сооружения, некоторые сооружения связи, объекты
авиационной инфраструктуры, объекты инфраструктуры железнодорожного
транспорта общего пользования, метрополитен, морские порты, некоторые
электростанции, подвесные канатные дороги и иные опасные производственные объекты.
Вместе с тем, регулирование ранее не предусматривало обязательного
осуществления постоянного контроля технического состояния сооружений.
Вопрос выбора способа такого контроля
Как правило, проектировщик предусматривал контроль в виде визуального осмотра либо простейшего инструментального обследования с целью
снижения стоимости для заказчика в ущерб безопасности.
Таким образом, человеческий фактор (внимательность, опыт, профессиональная подготовка эксперта) являлся определяющим при осуществлении
контроля за подобными объектами.
Потребность в автономных инструментах в строительной области большая, ведь ежегодно происходит тысячи смертельных случаев от падений со
строительных лесов, подмостков.
С момента появления специализированных роботов, появилась возможность автономного мониторинга зданий и сооружений, без необходимость человеку подниматься на большую высоту или непосредственно следить с помощью камеры.
9
1.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Задача автоматизации процесса диагностики.
Как было сказано, процесс инспекции включает в себя определение
особо значимых мест (поломок) и их анализ, посредством видеосъемки или
напрямую. Диагностика проводится человеком во время инспекции, т.е. во
время движения робота. После того, как человек зафиксировал проблему,
остается принять решение. Также, человек и управляет роботом(дроном).
Идея проектирования робота заключается в том, чтобы он мог автономно определял дефекты. Конечно, последнее слово остаётся за человеком.
Стоит сказать, что управление роботом микрокомпьютер возьмет на
себя. Но за человеком так же останется возможность управления, по его желанию. Достаточно будет, либо подключится к роботу по Ethernet (проводная
передача информации) через ноутбук, либо иметь выход в интернет и доступ
к облачному ресурсу, куда робот будет присылать результаты сканирования, а
также принимать команды пользователя.
На мониторе персонального компьютера или ноутбука оператор сможет
видеть отмеченные роботом места.
1.2 Анализ существующих конструкций роботов для инспекции зданий и
сооружений
В сфере инспекции сооружений представлены множество устройств, помогающих человеку, от ручных дефектоскопов до мобильных роботов. В разделе 1.2 представлены данные двух аналогов, конструируемому роботу и на
основе этих данных проведён анализ.
Дрон DJI Matrice 200
10
Рисунок 1.1 Дрон DJI Matrice 200
Таблица 1.1 - Технические данные робота Rovver 900
Модель
М200
Максимальный взлетный вес
6,14 кг
Габариты в сложенном состоянии
716×220×236 мм
Габариты в разложенном состоянии
Вес робота, кг
887×880×378 мм
Около 3,80 кг
Материал
Пластик, аллюминий
Модель двигателя
DJI 3515
Мощность двигателя, вт
180
Диапазон высот
10
Максимальная скорость
20
Основное достоинство робота –камера,условия эксплуатации
Недостатки: большая стоимость, нет возможности обнаружить внутренние
дефекты.
Робот для инспекции высотных сооружений HyDRAS
11
Рисунок 1.2 - Робот HyDRAS
Основное достоинство робота –форма и способ передвижения.
Недостатки: на данный момент времени не имеет возможности
инспекции некоторых поверхностей.
Исходя из всех достоинств и недостатков приведённых выше устройств
можно сделать вывод, что необходим робот способный заметить внутренние
повреждения конструкций и способный работать с большим количесвом
поверхностей и форм сооружений.
1.3 Описание технологического процесса инспекции высотных зданий и
сооружений
Для начала нужно определится каким будет робот, и как он будет функционировать.
Для осмотра высотного сооружения предполагается использовать робот
(рисунок 1.3), который будет оснащен с 2-мя рабочими приводами (ДПТ),
подключенными к плате микрокомпьютера. Робот помещается на жёсткую
рейку(направляющая), прикрепленную к краю здания, и ходит по ней.
12
Робот
Ходовая(рейка)
Рисунок 1.3 - Установленный робот и траектория его движения (общий вид)
Робот работает следующим образом:
1.
После установки робота в начальное положение (точку начала инспек-
ции). Робот начнёт опускать панель со встроенными рентгеновскими трубками
пока не дойдёт до нижней части.
2.
Если робот встречает дефект он помечает это место и отправляет фото
участка и данные по дефекту.
3.
После достижения конечной точки по вертикали робот передвигается на
заданную величину вдоль крыши при помощи горизонтального привода.
4.
Передвинувшись по горизонтали запускается проверка счётчика и в за-
висимости от результата включение направления привода.
5.
После прибытия в конечную точку координат возвращается к началу.
13
Движение вниз
0
Начальное
положение
Проверка счётчика
на чётность
Движение по
горизонтали
Поиск дефектов
1
Движение вверх
Рисунок 1.4 Условная блок-схема процесса
На рисунке 1.5 показана циклограмма работы робота «на примере здания 5 метров высотой и 10 метров в длину» на которой можно увидеть в какой момент происходит начало и конец какого либо действия робота.
3
2
1
Номер цикла
4
5
Движение по
вертикали
Работа
дефектоскопа
Движение по
горизонтали
310
300
290
280
270
260
250
240
230
220
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
90
100
80
70
60
50
40
30
20
10
tсек
Рисунок 1.5 Циклограмма работы робота
В данной циклограмме показана работа робота на примере здания 10х5 метров. Движение робота происходит в 5 циклах, каждый кроме 5 одинаковой
продолжительности.
14
В первом цикле начиная с 1 по 20 секунду робот опускает панель с дефектоскопом. В нижней точке с 20 по 30 секунду аппарат сдвигается по горизонтальной оси, после чего начинает 20 секундный подъём. В верхней точке с 50
по 60 секунду происходит очередное смещение по горизонтали. Таким образом проходит 4 цикла. В 5 цикле после подъёма робот достигает конечной
точки и возвращается к началу координат.
5
4
3
Движение по
вертикали
2
1
0
2
Движение по
горизонтали
1
0
1
Работа
дефектоскопа
tсек
60
57
54
51
48
45
42
39
36
33
30
27
24
21
18
15
9
12
6
3
0
Рисунок 1.6 Циклограмма одного цикла работы
1.4 Техника безопасности приведении высотных работ
Согласно технике безопасности к проведению высотных работ допускаются лица от 18 лет, прошедшие инструктаж и медицинское обследование. Самостоятельно осуществлять работы на высоте могут только лица, больше года
15
проработавшие на аналогичной должности под наблюдением опытного специалиста. Очень важным является и наличие у работника свидетельства о допуске к высотным работам, которое выдают на курсах промышленного альпинизма.
Основные требования к ТБ при работе на высоте:
1.
Перед началом работ необходимо:
проверить исправность механизмов, необходимых для подъема, спуска
и страховки;
убедиться в наличии индивидуальных средств для защиты;
проверить наличие запасного комплекта страховок, веревок и караби-
нов;
подготовить средства первой помощи при падении и оговорить метод
связи со страхующим.
2. Во время выполнения работ необходимо:
использовать страховку;
перемещаться только стандартными способами;
не приближаться к опасным объектам (находящимся под напряжением,
острым или другим);
не находиться под специалистом, работающим на большей высоте;
не применять неоговоренных инструкцией способов работы;
выполнять работы в пределах полученного задания.
3. На месте проведения высотных работ должен быть ППР или техноло-
гическая карта, регламентирующая их.
4. Для каждого сотрудника, осуществляющего высотные работы, организацией-работодателем оформляется акт для допуска. В нем указываются
правила работы и мероприятия по обеспечению их безопасности. Работника
должен быть ознакомлен с актом под роспись.
16
И самое важное, во время работы на высоте не нужно совершать поспешных или необдуманных поступков. Многие, занимаясь промышленным альпинизмом, теряют бдительность, в результате чего возможны несчастные случаи.
1.5 Выводы по главе 1
В первой главе была поставлена задача, выявлены проблемы текущих решений с помощью анализа аналогов разрабатываемого робота, рассмотрен технологический процесс и техника безопасности при монтаже и использовании.
17
2.
РАСЧЕТНО – КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Концепция проектируемого робота
Для решения задачи мониторинга состояния зданий и сооружений предполагается использовать робот, конструкция которого представлена на рисунке 2.1
Рисунок 2.1 - Общий вид робота:
1 - Панель датчиков; 2 - Дисплей; 3 - Корпус; 4 - Направляющая.
Проектируемый робот (рисунок 2.1) имеет две степени подвижности: горизонтальную и вертикальная. Горизонтальная степень подвижности закрепляется на крыше здания и представляет собой систему шестерня-рейка, по которой перемещается робот. Вертикальная степень-это лебедка, которая опускает и поднимает переднюю панель с трубками. В верхней части робота расположена приборная панель показывающая состояние робота.
От инспекции зданий зависят, как состояние этого здания так и здоровье
людей, следовательно, недопустимы ошибки и очень важна точность, что будет достигаться выбором двигателей робота и его ходовой.
18
Рисунок 2.2 – Система шестерня-рейка горизонтальной степени подвижности
робота
Основную функциональную часть выполняет вертикальная степень подвижности, представляющая собой панель с датчиками (рисунок 2.3), перемещаемая с помощью лебедки (рисунок 2.1)
Рисунок 2.3 - . Панель с трубками робота
Встроенный рентгеновский дефектоскоп Bosello 160 (рисунок 2.4) позволяет определить (раковины, трещины, непровары в сварных швах, непропаи
в паяных швах и т. д.)
19
Рисунок 2.4 - Рентгеновский аппарат Bosello 160
Таблица 2.1 - Технические характеристики аппарата
Тип рентгеновских трубок
MXR-160/20
Номинальное напряжение
160 кВ
Мощность
640Вт
Максимальная сила тока нити накала
4,1/4,1 А
Напряжение нити накала
4,2/4,2 В
Зона излучения
40
Способохлаждения
водяной
Максимальная утечка радиации
2,5 мЗв/час
Типразъема
R 24
Вес
8 кг
Стационарный рентгеновский аппарат Bosello 160 относится к серии высоко стабилизированных рентгеновских аппаратов кабельного типа, отвечающих самым высоким требованиям для промышленной радиографии. Напряжение на катоде 160 кВ. Охлаждение анода — водяное.
Стационарный рентгеновский аппарат Bosello 350 оснащён металлокерамической рентгеновской трубкой (рисунок 2.5) и укомплектован катодным
20
генератором. Высокая стабильность тока, напряжения и высокий выход рентгеновского излучения достигаются за счёт среднечастотного преобразователя.
Под общим корпусом находятся: высоковольтный генератор, силовой модуль
и высоковольтный блок.
Рисунок 2.5. Металлокерамическая рентгеновская трубка
MXR-160/20
Компактности генератора удалось добиться при помощи технологии, использующей набор блоков. Предварительно они были залиты твердым компаундом и помещены в масло. При такой конструкции в случае необходимости
ремонта генератора не требуется дегазации масла, поэтому ремонт возможен
на территории выполнения работ.
Система охлаждения — водяная с замкнутыми контурами. Нагнетаемый
вентилятор, либо штатная система водоснабжения отвечают за охлаждение
хладагента.
Аппарат работает в 6 режимах: прогрев, режим радиографии, режим радиоскопии, режим поддержания номинальной мощности, ручной режим и дистанционное управление.
21
Особенности
встроенная система диагностики;
стабильность тока и напряжения — 0,1 %;
память пульта управления запоминает до 100 программ просвечивания;
длина высоковольтного кабеля может варьироваться;
На рисунке
2.6 представлена 3D-модель робота. Данная модель
учитывает достоинства существующих решений, например, расположение
камеры, длина, ширина робота. Вся силовая электроника будет установлена
внутри корпуса.
Рисунок 2.6 - 3D - модель робота
Конструктивные параметры робота приведены в таблице 2.2
22
Таблица 2.2 - Технические данные робота.
Макс. длинна направляющей
Длина, мм
Ширина, мм
Высота, мм
Вес робота, кг
Материал
Двигатели, шт
неограничено
1000
350
300
30
Нержавеющая сталь, алюминий
2
Таким образом, проектирование робота для инспекции высотных зданий и
сооружений включает:
расчет механихма шестерня – рейка и выбор электродвигателя
горизонтального перемещения;
расчет лебедки и выбор ее электропривода;
разработку микропроцессорной системы управления роботом.
2.2 Расчет горизонтальной степени подвижности робота
Система управления должна обеспечить перемещение с заданным профилем скорости для робота с массой 30 кг . Заданный профиль скорости, содержит одну установку скорости, значение длительности торможения проектируются так, чтобы время движения составило 5 с. Чтобы реализовать заданный профиль скорости необходимо сформировать (программно) соответствующее управляющее воздействие для регулятора скорости. При этом возможно
использование точного интерполятора, который способствует снижению
пульсаций скорости и момента. Движение модуля со скоростью V.
2.2.1 Расчем механихма шестерня – рейка ходовой части робота
Необходимо рассчитать радиус приведения для выбранного двигателя,
который определяется по отношению линейной скорости ТС V1 к угловой скорости двигателя ω01 по формуле.
r = V1/ 01
r – радиус приведения
23
V = 1 м/с
a = 0.5 м/с 2
r = V1 / 01 = 1/ 12.6 = 0.08 м
,
где
01 = 2 120/60 = 12.6 [c-1 ]
= a/r = 0.5/0.08 = 6.25 [c -2 ]
Основные элементы кинематической цепи (передачи) - это шестерня и
рейка. Прежде чем определять моменты нагрузки на валу двигателя, которые
возникают под действием сил, создающих нагрузку, необходимо рассчитать и
выбрать элементы кинематической цепи (передачи): шестерню и рейку и затем
сделать приведение сил сопротивления и моментов инерции на вал двигателя.
1.
Выберем тип материала передачи(сталь): значение модуля упругости
материала для стали E = 215000 МПа.
2.
Коэффициент Пуассона материала μ 0,3 для стали μ=0,3.
3.
Твердость поверхности зубьев по шкале C Роквелла
HRC : 27 HRC 17…65.
4.
Величину безразмерного коэффициента ширины зубчатого венца ше-
стерни ψbd=0,4
bd = b 2 /d = 0,6…0,4.
5.
Угол наклона зубьев β в градусах т.к. прямозубое зацепление β=0
6.
Вращательный момент на валу шестерни T: 300 Н м
(Этот момент определяет нагрузочную способность реечной передачи)
7.
Скорость центра вала шестерни относительно рейки v=1
(Скорость определяется из нужной скорости горизонтального перемещения
робота)
8.
Допускаемое контактное напряжение
24
[H] = 2 127,57 e (0,0266HRC) + 70 = 600,0
9.
Расчетный делительный диаметр dp, мм
d p (4000 T E/( (1 - 2 ) [H]2 b d sin(2 )1/3 = 102,7
10.
Расчетный модуль зацепления mp в мм определяем по формуле:
mp = d p /(17 * (cos ( )) 3 ) = 6,70
11.
Выбираем ближайшую к расчетному значению величину модуля m из
стандартного ряда, 6,00
12.
Минимальное расчетное число зубьев шестерни z1 рассчитываем
z1 = 17 * (cos ( )) 3 = 17
13.
Назначаем число зубьев шестерни z1 =17.
14.
Делительный диаметр шестерни d в мм
d = m z1/cos ( ) = 105,598
для расчётов округляем до d=106
15.
Диаметр вершин зубьев шестерни daв мм
d a = d + 2 m = 118
16.
Диаметр впадин зубьев шестерни dfв мм
d f = d - 2,5 m = 89
17.
Ширину зубчатого венца шестерни b1 в мм
b1 b 2 + 0,6 b 0.5
2 = 45
18.
Ширину зубьев рейки b2 в мм находим
b 2 d bd = 80
19.
Окружную силу на шестерне Ftв Н рассчитываем
Ft = 2 T/d = 5882 Н
20.
Мощность на валу шестерни P
P = Ft v = 294 Вт
21.
Частоту вращения вала шестерни n в об/мин
n = 60 v/( d) = 9.362
25
По результатам проведенного расчета выбрана передача шестерня –
рейка, технические характеристики которой приведены в таблице 2.3.
Таблица 2.3 - Данные передачи шестерня рейка
Материал
Сталь
Число зубьев шестерни
17
Делительный диаметр шестерни, мм
106
Диаметр вершин зубьев шестерни, мм
118
Диаметр впадин зубьев шестерни, мм
89
Ширину зубьев рейки b2 , мм
80
2.2.2 Выбор электродвигателя горизонтальной степени подвижности
Для перемещения робота по направляющей (рейке) необходимо выбрать
подходящий привод. В качестве двигателей используюем двигатели
постоянного тока (ДПТ). Они широко применимы в вычислительной технике,
автоматике и среди мобильных роботов являются лидерами в использовании.
В свою очередь они малогабаритны и у них широкий диапазон частоты
вращения.
Так же использование двигателей постоянного – более экономичное
решение, т.к. для шаговых двигателей требуется дополнительные сложные
схемы контроля и управления (к слову, такие схемы по стоимости стоят
столько же сколько и сам шаговый двигатель). Тем более, что проблему с
позиционированием вала можно частично решить установкой датчиков Холла
(магнитные энкодеры).
Найдем момент инерции шестерни:
1
I z h(r24 r14 )
2
i- передаточное отношение шестерни =1;
ρ-плотность материала;
r1 - большой радиус;
26
r2 - малый радиус;
Iz / i = (1/2h(r1 - r2 )/1 = ((1/2 * 7700 * 3.14 * 0.045) * 0,0000105)/1 = 0.006кг * м 2 ;
Внешний момент инерции технологического модуля при массе робота
mТ=30кг (таблица 2.2):
Jext = m· r 2 + Iz = 30 * 0,082 + 0.006 = 0.198кг * м 2
Расчёт профиля нагрузки и выбор ДПТ для горизонтального
перемещения
Предварительный выбор установленной мощности ЭД можно произвести
по статической нагрузке технологического модуля. В этом случае потери на
трение и динамическая мощность учитываются выбором номинальной мощности из каталожного ряда большей, чем статическая нагрузка на 10-15%.
Пусть масса робота mTot=30кг (масса модуля mм=15 кг, груза mгр=15 кг)
а скорость движения V1=0.5 м/с, α =180. Тогда сила статического сопротивления составит:
Fc1 = m грт g sin 1 = (10 + 5) 9.81 0 = 0H;
Динамическая составляющая определяется заданными ускорениями и приведенными моментами инерции:
МДин1 = ( JextГ + Jдв) 1 = (0.198 + 7) * 6.25 = 44.98 [Н * м];
Таблица 2.4 - Расчетные параметры моментов нагрузки модуля
Расчетные параметры по диаграмме нагрузки модуля нагрузки
Мс (Н*м)
0
МДин1(Н*м)
45
tBсек
5
i
1
Выбранный двигатель проверяют на условия пуска при максимальном
моменте нагрузки по перегрузочной способности
27
М ном = Р/ 0 = 111/12.6 = 8.8 [Н м];
Кратность пускового момента Кпуск=2;
Ммакспуск = Мс + М Дин = 45 [Н м]
Ммакспуск/ Мном > 2
- выбранный двигатель отвечает условию нормаль-
ного пуска.
Для проверки выбранного двигателя на условие «Отсутствия перегрева»
воспользуемся методом эквивалентного момента:
М 12 t1
М экв
2,53Н * м
t1 t2
Эквивалентная мощность для nс=120 об/мин составит:
Рэкв = Мэкв 01 = 2.53 12.6 = 31.817 Вт
ДПТ типа 4306-PM10816 (таблица 2.5) сможет работать под нагрузкой
31.817, не перегреваясь выше допустимой температуры, если режим циклического движения будет осуществляться с ПВ%=100.
В этом случае
ПВ% ном
0,78 1
ПВ% экв
Pэкв = Pnom
Таблица 2.5 - Технические характеристики ДПТ 4306-PM10816
Тип двигателя
Модель
Напряжение, В
Скорость, Об/мин
Момент, Н*м
Мощность, Вт
Длина, мм
Ширина, мм
Высота, мм
Масса, кг.
4300
PM10816
12
120
9
100
120
50
50
1
28
Рисунок 2.7 - Двигатель постоянного тока 4306-PM10816
2.3 Расчет вертикальность степени подвижности робота
Для лебёдки так же возьмём двигатель постоянного тока.
Система управления должна обеспечить перемещение с заданным профилем скорости для груза 15 кг под углом 90 градусов.
Чтобы реализовать заданный профиль скорости необходимо сформировать (программно) соответствующее управляющее воздействие для регулятора скорости. При этом возможно использование точного интерполятора, который способствует снижению пульсаций скорости и момента.
Для улучшения динамики движения, скорость снижается, а сила сопротивления движению возрастает пропорционально изменению угла наклона.
2.3.1 Расчет лебедки
В данном разделе будет произведён подбор стального каната, определена длинна, диаметр и канатоемкость барабана лебедки; определена необходимая мощность при установившемся движении и выбор электродвигателя
Q=15 кг Vпр.=0,3м/с
Н=15м
ПВ=25%
29
η=80%
i=1;
Подбираем канат по допускаемому разрывному усилию.
Pk =
9.81Q 9.81 15
230 H
i 2
1 0.82
Для такой нагрузки подойдёт полимерный канат с диаметром d=4 мм.
Основные размеры барабана
Dб d k (e 1) 76 мм
где dk— диаметр каната в мм; е — коэффициент, регламентируемый правилами инспекции Госгортехнадзора, в соответствии с режимом работы механизма. Для лёгкого режима равен 20.;
Возьмём диаметр барабана 80мм.
Dн d k Dб 84 мм
Количество витков
z1
Lk
DH
15000
57 ;
3.14 84
Длина барабана между бортами:
l
( z1 z2 )d k
(57 2) 4
244 мм
0.9
Общая длина гладкого барабана:
lб l 2a lH 244 8 30 282мм
a d k - толщина бортов барабана при 1 слое навивки.
lH 7.5 d k 30мм длина барабан а, используемая для.крепления кан
ата накладными планкам и
Φ-‘коэффициент, учитывающий упругое расплющивание каната при навивке
на барабан, принимается Ф = 0,7;
h d k 0.8d k 7.2 мм
30
Необходимо рассчитать радиус приведения для выбора двигателя, который определяется по отношению линейной скорости ТС V1 к угловой скорости
двигателя ω01 по формуле
r = V1/01;
где r – радиус приведения барабана; 01, 02 – угловая скорость на 1 и 2
участке соответственно; - угловое ускорение; а - линейное ускорение; V линейная скорость.
Тогда
а1 = а 2 = 0.5
V1 = V2 = 0.3
r = V1 /01 = 0.05/ 1.04 = 0.04[м] где
01 = V1/r = 0.3/0.04 = 7.5 [c -1 ];
02 = V2 /r = 0.3/0.04 = 7.5 [c -1 ];
1 = a 1 /r = 0.5/0.04 = 31.25[c -2 ]
2 = a 2 /r = 0.5/0.04 = 31.25[c -2 ]
Значение ε1 применяется на диаграмме со знаком “-“, так как соответствует периодy торможения.
Основные элементы кинематической цепи (передачи) - это барабан (лебёдка). Прежде чем определять моменты нагрузки на валу двигателя, которые
возникают под действием сил, создающих нагрузку, необходимо рассчитать и
выбрать элементы кинематической цепи (передачи): барабан и редуктор и затем
сделать приведение сил сопротивления и моментов инерции на вал двигателя.
31
Радиус барабана лебедки RБ и передаточное отношение редуктора iР связаны с ρ соотношением, в которое инженер на стадии проектирования подставляет предпочтительные значения, например. Rбар=0,04 м. Тогда с учетом и полученного значения ρ = 0.04 м передаточное отношение редуктора:
ip=Rб/p=0,04/0.04=1
Таблица 2.6 - Характеристики выбранной лебёдки
Общие габариты ДхШхВ (мм)
282х92х92
Длинна троса
15м
Диаметр троса
4мм
Диаметр барабана
80мм
Тип троса
Канат полимерный
2.3.2 Выбор электродвигателя вертикальной степени подвижности
робота
Момент инерции барабана (толстостенный цилиндр):
J б = J oб /i p = (5 0,042) 1 = 0,2 м 2 ;
ip- передаточное отношение редуктора.
Внешний момент инерции технологического модуля при массе панели
mТ=15кг:
J ext = m т ·r 2 + J б = 15 0,042 + 0,2 = 0,224 кг м 2
Предварительный выбор установленной мощности ЭД можно произвести
по статической нагрузке технологического модуля. В этом случае потери на
трение и динамическая мощность учитываются выбором номинальной мощности из каталожного ряда большей, чем статическая нагрузка на 10-15%.
32
Пусть масса груза mTot=15кг (масса модуля mм=5 кг, груза mгр=10 кг) а
скорость движения V1=0,02 м/с, α = 90 Тогда сила статического сопротивления
на тяговом канате составит:
Fc2 = mгрт g sin (90) = (10 + 5) 9.81 1 = 147,15 H;
а статическая мощность нагрузки:
N ст1 = Fc1·V1 = 147,15 0,02 = 2,943Вт
Выбираем из каталога ДПТ типа 05SP-90-1800
мощностьюРн=10
Вт>2,943Вт
Выбираем двигатель постоянного тока 05SP-90-1800, который будет
установленс лебёдкой (рисунок 2.8).
Рисунок 2.8 - Двигатель постоянного тока 05SP-90-1800
Таблица 2.7 - Характеристики электродвигателя 05SP-90-1800
Производитель
Тип двигателя
Напряжение питания, В
Номинальная мощность двигателя, Вт
Номинальная скорость вращения, об/мин
Максимальная скорость вращения,η
об/мин
Номинальный крутящий момент, JНм
Наличиешпонкинавалу
Номинальный ток якоря,Iя А
33
T.W.T
Постоянного тока
90
10
1800
1800
0.07
имеется
0.83
Диаметрвала, мм
8
Режимработы
непрерывный
Длина, мм
101,5
Ширина, мм
60
Высота
82 мм
Масса, кг.
1
КПД%
74
Момент нагрузки на валу ЭД состоит из двух составляющих – статической и динамической. Статическая составляющая при подъеме и зависит от
угла подъема:
Fc1 = m грт g sin 1 = (10 + 5) 9.81 1 = 147,15 H;
Соответственно статические моменты, приведенные на вал ЭД:
М сАВ = Fc1 R б / i p = 147,15 0,05/1 = 7,3575 [Н м];
Динамическая составляющая при подъеме груза определяется заданными ускорениями и приведенными моментами инерции:
М Дин1 = ( J ext + J дв ) 1 = (0,224 + 0,07) (-31.25) = -9.1875 [Н м];
М Дин2 = ( J ext + J дв ) 2 = (0,224 + 0,07) 31.25 = 9.1875 [Н м];
Рисунок 2.9 - Диаграмма нагрузки дпт лебёдки
Таблица 2.8 - Расчетные параметры по диаграмме нагрузки модуля нагрузки
34
Выбранный двигатель проверяют на условия пуска при максимальном
Расчетные параметры по диаграмме нагрузки модуля нагрузки
Мс Н м МДин1 Н м
МДин2Н м tBсек Rб Ом
7.3575
9.1875
9.1875
4
0,04
моменте нагрузки по перегрузочной способности
i
1
М ном = Р ном / 02 = 10/1.25 = 8[Н м];
Кратность пускового момента Кпуск=2;
М макспуск = М с + М Дин = 7.3575 + 9.1875 = 17,145[Н м]
Ммакспуск/Мном>2 - выбранный двигатель отвечает условию нормального
пуска.
Для проверки выбранного двигателя на условие «не допущения перегрева» воспользуемся методом эквивалентного момента:
М экв
М 12 t1 M c2 t 2 0 M 22 t 4
7.74
t1 t 2 t3 t 4
Эквивалентная мощность для nс=1800 об/мин составит:
Рэкв = М экв 0 = 7.74 1.25 = 9.67вт < 10Вт
ДПТ типа 05SP-90-1800 (таблица 2.9)сможет работать под нагрузкой
9.67 Вт, не перегреваясь выше допустимой температуры.
Таблица 2.9 - Расчетные и каталожные параметры двигателя 05SP-90-1800
Рном
Iя
КПД
Uном
nном
J
MmaxMnom
Rя
Lя
Мном
Km
Ke
Cx
Tя
100 Вт
0.83А
74%
12 В
1800 об/мин
0.17
2,59 Н*м
0.38 Ом
59 Гн
0.07 Н*м
0,084
0.058
0,35
0,065
35
2.4 Разработка микропроцессорной системы управления роботом
2.4.1 Датчики робота
Робот укомплектован двумя группами датчиков: датчик определения дефекта и датчики определяющие положение робота.
В качестве дефектоскопа выступает Bosello 160, присанный в первой
главе выпускной квалификационной работы, подключаемый к вычислительному устройству через SCI шину.
Во второй группе датчиков находятся два датчика Холла, так как для
управления роботом нужно отслеживать его положение. В данной работе будут использоваться два магнитных датчика угла поворота на эффекте Холла
«EcoTurn» с последовательным периферийным интерфейсом (SPI). Последовательный периферийный интерфейс (SPI) является системой шин для последовательной синхронной передачи данных между различными интегральными
схемами.
Шина состоит из трех линий:
MOSI–MISO (MasterOut — выход из активного устройства;
SlaveIn — вход в зависимое устройство;
MasterIn — вход в активное устройство,
SlaveOut — выход из зависимого устройства),
SCLK (SerialClock-последовательная синхронизация, выход из активного
устройства)
SS (SlaveSelect — выбор зависимого устройства).
36
Рисунок 2.10 –Датчик «Eco Turn MLX 90316» с SPI
Информация об угловом положении рассчитывается за 350 мкс и доступна для активного устройства по требованию. Для шины SPI нет фиксированного протокола. Тем не менее, многие микроконтроллеры интегральных
схем имеют вход SPI. Запрограммировав микроконтроллер интегральной
схемы, можно управлять несколькими SPI-совместимыми датчиками с помощью одного микроконтроллера. Фактическое угловое положение выдается в
2-битном коде Грея, с разрешением 12 бит на 360°. Принимающая электроника
обеспечивает импульсные последовательности и тем самым определяет скорость передачи данных. С первым сигналом последовательности импульсов
угловое положение определяется и сохраняется. Последующий повышающийся пилообразный сигнал управляет побитной передачей данных.
Датчики будут крепиться на вал электроприводов робота, и передавать
данные на вычислительное устройство.
Расчёт линейных перемещений для горизонтального и вертикального
приводов соответственно производится по формулам:
Sг
1 m p N
2
37
;
Sв
Lk
2 z
2 ;
где:
ϕ1, ϕ2-углы поворота вала двигателя;
mp и N - модуль рейки и количество зубцов колеса.
Lk - длинна каната;
z - количество витков лебёдки;
Рисунок 2.11 – Схема сборки энкодера
Таблица 2.10 – Характеристики выбранных датчиков
Электрические параметры
Электрический угол поворота
Стандартный 360°
Программируемый 0–20°… 0–360° ±1°
Разрешение/360°
12 бит
Частота
SPI: 5 кГц
Напряжение питания
5 В ±10%
Механические параметры
Механический угол поворота
360°
Максимальная скорость
4000 об./мин. (полимерный
вращения
подшипник)
Срок службы
>25 млн. оборотов (полимерный
подшипник)
Другие
Степень защиты
IP65 (с дополнительным уплотнением
вала)
Рабочий диапазон температур
–40…+85 °С
38
2.4.2 Вывод микропроцессора для системы управления роботом
В качестве управляющего звена будет использован микрокомпьютер
RaspberryPI 3 modelB. Камера от того же производителя RaspberryPICamera.
От управляющего звена к драйверу двигателей BA6209 будут идти цифровые
сигналы. Выходы общего назначения должны быть с ШИМ. Также, датчик
положения будет находиться внутри корпуса.
Как было сказано вначале, задача состоит в том, что робот должен сам
определять дефекты. Решение данной задачи лежит в правильном составлении
алгоритма обработки поверхности. Хорошим вариантом будет взять микрокомпьютер с операционной системой. Да, этот вариант не из дешёвых, но при
этом, с таким вариантом будет проще обращаться, например, написание отдельных зависимостей, автозапуск кода, постоянная связь.
Для наших целей подойдет микрокомпьютер Raspberry Pi 3 model B (рисунок 2.12).
Рисунок 2.12 – Raspberry Pi 3 model B
Одноплатный компактный компьютер с ОС Linux (Raspbian) на борту с
64-х битным четырёх ядерным процессором ARM Cortex-A53 на однокристальном чипе Broadcom BCM 2837 (рисунок 2.13).
39
Рисунок 2.13 - Общий вид платы RaspberryPi 3 model B
Плата имеет GSI-интерфейс для прямого подключения к ней камеры
(raspberry pi camera), 40-пиновуюрейку (рисунок 2.13) GPIO (General Purpose
Input Output – интерфейс ввода/вывода общего назначения) из них 12 – питание (3.3В, 5В) и земля, 4 – USB порта, 1 порт Ethernet, 1 – HDMI, Wi -Fi.
40
Рисунок 2.14 - Назначения портов общего ввода/вывода
Следует учесть, что в открытом виде её устанавливать нельзя, поэтому
она будет вмонтирована в корпус панели.
2.5 Структурная схема системы управления роботом
В
начале
разработки
следует
учитывать
каждый
блок
робототехнического комплекса. Для этого строится структурная схема.
Такие схемы предназначены для того, чтобы графически изображать
функциональные блоки изделия.
41
Вся система разбивается на блоки и представляется в виде условно
графических обозначений (УГО).
Структурные схемы обычно строят, не учитывя действительного
положения функциональных блоков, расположения, размеров и подробной
информации о них.
Связи должны быть только электрическими, и если необходимо,
механическими, которые расположены между функциональными частями.
Должны быть отображены шины либо данных, либо адресов. Также, при
необходимости. Направление хода процесса, например, куда идут данные. Это
придает наглядности схемы и позволяет изучить принцип работы изделия,
комплекса, взаимодействие блоков и т.д.
В структруную схему данного проекта входят следующие блоки:
Микрокомпьютер RaspberryPi 3 modelB;
Видеокамера Raspberry Pi Camera;
Flash-память 64 Гб;
Драйвер двигателей L293D;
2 двигателя постоянного тока;
3 сервопривода;
Соединительный кабель;
Персональнаый
компьютер
(устройство
поступающей от робота) ;
Внешнее питание;
Датчик положения;
Объект контроля;
42
вывода
информации,
Компьютер
Датчики
ПЗУ(32гб)
WIFI
модуль
Дпт лебёдки
Raspberry Pi 3В
Модуль камеры
Дпт
горизонтального
перемещаения
ARM Cortex-A53
ПИТАНИЕ
Рисунок 2.15 - Структурная схема робот
Питание предусмотрено для 2 - х двигателей . Оно поступает на них
через контроллер (драйвер) двигателей.
Камера подключается по CSI – интерфейсу (CameraSerialInterface) через
15 контактов (в принципе, можно использовать и USB-камеру).
ПЗУ имеет 32 Гб памяти. Представляет из себя карту памяти microSD
(securedigitalmemorycard). В ней будут хранится все данные, в том числе и
оперционная система.
Управление и передача видео будет осуществлятся с помощью (2.4 ГГц
и 5 ГГц) IEEE WI-FI соединения . На персональном компьютере должно быть
установлено
специальное
программное
обеспечение
с
графическим
интерфейсом, посредством которого будет происходить управление роботом.
2.6 Описание работы микропроцессорной системы управления роботом
Как описано в разделе 2.4«мозгом» всей системы будет выступать
одноплатный компьютер (микрокомпьютер) RaspberryPi 3 modelBc 64 – битным
процессором ARMCortex-A53 С частотой 1.2 ГГц с 4 ядрами и ОЗУ 4 Гб.
43
Подобно обычному персональному компьютеру на плате имеются: WiFi, Bluetooth, Ethernet (RJ-45), USB 2.0, HDMI, процессор, оперативную
память.
За работу портов отвечает USB-hubLAN9514-JZX.
Разъем microUSB для подключения питания.
Питание платы: 5В, 2А.
Потребляемая мощность: 3.5 Вт.
Что касается подключения периферийных устройств, то на плате
имеются 40 контактов (2х20) общего ввод/вывода (из них 12 отведены под
питание 3.3В, 5В, GND). Протоколы: UART (Serial), I2C/TWI, SPI с
селектором между двумя устройствами
ARM (AdvancedRISCMachine – усовершенствованная RISC - машина) –
семейство 32- и 64 – битных микропроцессорных ядер, разработкой которых
занимается ARMLimited.
По данным ARM, ядро Cortex – A53 (рисунок 2.3.1) «является самым
эффективным процессором ARM из когда-либо созданных». Поддержка 64битных инструкций, наименьшее потребление энергии.
Основные особенности Cortex-A53:
поддержка исполнения команд с изменением последовательности;
ядро ARMv8 с поддержкой 32- и 64-битных расчётов;
40-битная виртуальная адресация памяти;
поддержка до 1 Тбайт ОЗУ (от LPDDR3 до DDR4);
от 8 до 64 Кбайт кеш-памяти L1 для инструкций и 8—64 Кбайт кеш-па-
мяти L1 для данных;
мультимедийный SIMD-движок NEON;
математический сопроцессор
от 128 Кбайт до 2 Мбайт кеш-памяти L2 (с поддержкой ECC);
128-бит Core Link Interconnect (CCI-400 и CCN-504).
44
Рисунок 2.16 - Пример конфигурации процессора Cortex – A53
Информация об аббревиатурах и о том, за что отвечают блоки
процессора приведена ниже:
- Таймер (Timer) – основное средство обеспечения задержек и измерения
времени средствами компьютера. По сути, представляют из себя совокупность
высокочастотных генераторов и счетчиков импульсов. Обеспечивают, т.н.
прерывания. На вход идет значение количества импульсов, а на выходе имеем
время событий. Поддерживает работу в реальном времени.
- Прерывание (Interrupt) – сигнал, который сообщает процессору о
каком-либо важном процессе, в ходе чего процессор переходит в режим
выполнения того события, на которое указывает прерывание (откуда оно
пришло и перейти по этому адресу в памяти).
- Ядро (Core) – то, чем собственно и является процессор (не имеет
четкого определения). Кристалл или кремниевый чип. Отвечает за выполнение
одного потока команд. В него включены кэш-память, частота шины. Чем
больше ядер, тем мощнее «процессор». На выходе сигнал управления питания
(PMU – PowerManagementUnit).
45
- Трассировка (Trace) – механизм, который отвечает за то как событие
выполняется. Т.е. трассировщик генерирует свои данные в журнал о том, как
выполняется программа. С помощью этого метода можно регистрировать
вызовы функции.
- Отладка (Debug) – обработка ошибок, шумов.
- Блок ускорения согласования кэшей (Acceleratorcoherenceport) –
отвечает за увеличение производительности и снижение энергопотребления.
Шина AXIslave относится к подсистеме AMBA. В этой шине организовано 5
каналов: 1-канал адреса операций записи; 2-канал данных операций записи; 3канал отклика операций записи; 4-канал адреса операций чтения; 5-канал
данных/отклика операций чтения. Основоное достоинство: независимость
каналов, т.е. «конвейер данных».
- Ведущий интерфейс (Masterinterface) – блок, от которого идет
системная шина.
Собственно, вот все «прелести», которыми обладает данное ядро:
поддержка исполнения команд с изменением последовательности;
44-битная виртуальная адресация памяти;
поддержка до 16 Тбайт ОЗУ (от LPDDR3 до DDR4);
48 Кбайт кеш-памяти для инструкций и 32 для данных
На рисунке 2.11 показана блок диаграмма используемого процессора.
Описание его блоков приведено ниже:
APB – Advancedperipheralbus – расширенная шина периферии. Ещё её
называют AMBA шина периферии. Она отвечает за доступ и передачи
(принятия) данных от встроенных устройств процессора, таких как: таймер,
UART, i/o порты, контроллеры прерываний. К слову, эта шина присоединена
к основной системной шине, тем самым разгружая её, обеспечивает общее
энергопотребление системы.
AMBA – AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture – внутренняя шина,
предназначенная для построения системы на кристалле.
46
Рисунок 2.17 - Блок-диаграмма процессора Cortex-A53.
APBdecoder (декодер) – с помощью этого устройства происходит выбор
подчиненного устройства по адресу.
APBROM (ПЗУ) – read-onlymemory (память только для чтения) – память
процессора. Хранит информацию, которая меняется только в специальном
режиме программирования, например, это адреса внутренних устройств или
списка значений векторов прерываний.
APBmultiplexer (мультиплексор) – объединенная шина данных/адресов.
CTM (Cross – TriggerMatrix) – блок, который распределяет триггерные
запросы.
Governor (регулятор) – регулятор выбора частоты процессора.
Управление поведением процессора в зависимости от различных условий.
CTI (Cross-Triggerinterface) – шина, объединяет и отображает запросы
триггера и передает их всем остальным интерфейсам.
Retention control – контрольудержания.
-
Debug over – отладка.
47
GIC CP Uinterface – (GenericInterruptController – универсальный
контроллер прерываний) – включает в себя регистры управления: источники
прерываний, поведение прерывания.
2 уровень – система памяти. Включает в себя 4 блока: cache (кэш); SCU
(Systemcontrolunit) – регистр состояния питания процессора (биты регистра
указывают внешнему контроллеру питания домены питания, которые можно
отключить);
ACE(AXICoherencyExtensions) – определенная, как часть прогрессивной
архитектуры шины микронтроллера (AMBA), является управляющей шиной,
которая позволяет разделять память между процессорами;
ACPslave
(AcceleratorCoherencyPortslave)
–
шина,
позволяющая
получать доступ к памяти, соответствует спецификации ACE.
Также, Raspberry снабжена графическим двухъядерным процессором
(GPU) VideoCoreIV, который поддерживает стандарты:
OpenGL ES 2.0;
OpenVG;
MPEG-2;
VC-1;
Аппаратное декодирование 1080p30 (вывод FullHD видео с частотой 30
кадров в секунду).
И процессор (CPU) и графическая составляющая (GPU) объединены в
одном чипе BroadcomBCM2837.
Имеется контроллер беспроводных интерфейсов и так же объединены в
одном чипе BroadcomBCM43438: Wi-Fi (802.11); Bluetooth 4.1.
На ПЗУ будет храниться операционная система Raspbian. После
установки самой ОС на плату нам будут доступны функции. У этой ОС есть
модуль raspi-config, который по умолчанию не установлен. Потребуется
предварительная установка нужных пакетов. Посредством следующих
команд:
48
Gitclone
cdinstall_raspi-config
sudosh in stall.sh
После того, как были установлены все зависимости, в терминале вводим
команду (root): raspi-config.
Откроетсяменю Raspberry Pi Configuration Tool. Вменювыбираем 9
пункт «Advanced Options»; далее «А7 Serial»; откроетсяокноссообщением
«Would you like a login shell to be accessible over serial?»; выбираем «Yes»;
перезагрузкасистемы.
Теперь на Raspberry присутствует необходимое ПО.
Для ПК потребуется программа PuTTY – SSH.
Таким образом, мы можем производить изменения в системе Raspbian (на
плате) через ПК посредством соединения через последовательный USB-порт.
49
Рисунок 2.18 - Структура процессора ARMCortex – A53
2.7 Разработка функциональной схемы системы управления роботом
По
описанию
многофункциональности
в
разделе
выбранного
2.5можно
сделать
микрокомпьютера
вывод
и
о
построить
функциональную схему, которая будет включать в себя основные
составляющие элементы для проведения рассматриваемого процесса.
50
Сама функциональная схема по своему предназначению является своего
рода «документом», показывающим основные протекающие процессы при
работе. Функциональная схема приведена на рисунке 2.19.
ЦПУ
Шина данных
Модуль системного
интерфейса
SCI шина
Рентгеновский
дефектоскоп
Переферийная шина
Драйвер двигателей
Привод
лебёдки
Датчики
двигателей
Привод
горизонтальн
ого
перемещения
Рисунок 2.19 - Функциональная схема микропроцессорной системы
управления роботом
51
2.8 Драйвер двигателей
Т.к. двигатели потребляют большое количество энергии, микрокомпьютер не сможет обеспечить такие большие токи. Поэтому для проекта будет использован, т.н. H – мост для двигателей. На рисунке 2.20 показан принцип работы.
Рисунок 2.20 - Схема включения двигателя и H-моста
Принцип работы достаточно простой: если замкнуты ключи S1 и S4, то
двигатель начнет вращаться в одну сторону; если замкнуты ключи S2 и S3, то
двигатель будет вращаться в противоположную сторону; иначе не будет вращаться вообще.
Ключи закрываются за счет подачи сигнала на затвор полевого транзистора. Такие транзисторы (униполярные) обеспечивают переключение с высокой скоростью (в несколько килогерц).
Так же, предусмотрена широтно-импульсная модуляция.
На многих драйверах предусматривается, возможность подачи сигнала
с измененной скважностью. Это происходит за счет подачи ШИМ-сигнала на
52
отдельные контакты драйвера. Т.е. от микрокомпьютера потребуется занять
ещё пару пинов настроенных на выход и изменение сигнала.
Raspberry pi 3 model b имеет такую возможность. Это реализуется с использованием аппаратного ШИМ-генератора, но при этом так же в работе задействован DMA (прямой доступ к памяти) – это позволяет нам распределять
генерируемый сигнал между несколькими GPIOвыводами, без участия центрального процессора.
Драйвер, с помощью которого будет реализовано подключение двигателей к плате, будет BA6209. Японская компания ROHM представляет на рынке
электронных компонентов драйвер реверсируемых двигателей постоянного
тока общего назначения на основе технологии широко-масштабной интеграции LSI. Представленный драйвер управления одним электродвигателем с
функцией стабилизации тока. В основе всех драйверов реверсируемых двигателей постоянного тока лежит Н-мост на биполярных транзисторах, режим работы которого задается двумя логическими входами При выборе драйвера руководствуемся величиной напряжения питания, мощностью электродвигателя, максимальным выходным током, рассеиваемой мощностью, наличием
вспомогательной функции «термозащита» и «энергосбережение», возможностью установки выходного напряжения и работы с электронным регулятором
скорости.
Устройство имеет встроенные цепи защиты: от превышения тока; от эффекта обратной ЭДС от двигателя, дампер. Все управляющие входы драйвера
оптоизолированы и совместимы с логическими уровнями 3.3В, 5В.
53
Рисунок 2.21 - Внутренняя схема (типовая) драйвера BA6209
Рисунок 2.22 - Схема управления двунаправленным двигателем
54
Рисунок 2.23 -. Схема включения двигателя
Описание выводов драйвера BA6209
1
GND - Общий провод
2
OUT1 - Вывод подключения двигателя
3
VZ1 - Вывод подключения конденсатора для предотвращения од-
новременного включения вых. транзисторов
4
Vref - Вывод установки уровня «высокий».
5
FIN - Логический вход
6
RIN - Логический вход
7
VCC1 - Питание внутреннего блока управляющей логики
8
VCC2 - Питание выходного силового драйвера
55
9
VZ2 - Вывод подключения конденсатора для предотвращения од-
новременного включения вых. транзисторов
10
OUT2 - Вывод подключения двигателя
2.9 Принципиальная схема микропроцессорной системы управления
роботом
На данной схеме (рисунок 2.24) показано соединение микропроцессора
Raspberry Pi3 model B периферийными устройствами
М2
Датчик ходовой
Датчик лебёдки
М2
Bosello 160
Рисунок 2.24 - Принципиальная схема
Питание платы Raspberry Pi будет отдельным от всей системы. Это объясняется тем, что для неё требуется стабильные 5 В и 2 А. Для этого можно
использовать отдельно литий-ионный аккумулятор (Li-ion) с преобразователем тока до 2-ух ампер (Таблица 2.10)
56
Таблица 2.11 -Характеристики аккумулятора
Разъемы и штекеры
Технология производства
Емкость элемента
Сила тока
Размеры (Д х Ш х В)
MicroUSB / USB
Литий-полимерный (Li-Pol)
5400 мАч
2А
8.6 мм х 68 мм х 131 мм
57
2.11 Алгоритм управления роботом
а)
Начало
б)
Начало
Проверка
компонентов
К:=0
Установка
начального
положения
Ввод данных
объекта
К%2==0
Проверка
готовногсти
нет
Сигнал к
началу
движения
нет
да
Движение
вверх
Движение
вниз
да
Дивижение
и поиск
дефектов
Поиск
дефектов
Конец
Максимум по
вертикали
нет
да
Максимум
координат
нет
К:=К+1
Движение по
горизонтали
да
Возврат к
началу
координат
Конец
Рисунок 2.25 - Блок-схема алгоритма работы робота
а) алгоритм контроля готовности робота к работе
б) алгоритм управления движением робота
58
Алгоритм проверки готовности сводится к тому, что робота устанавливают в начальную точку крыши, что является точкой отсчета. Следующее, что
происходит с роботом, устанавливают связь. После, происходит проверка компонентов на работоспособность и их калибровка, затем проверка на готовность к движению. Если какой-либо из вышеописанных процессов не выполнен, то за счет цикла это повторится.
Сигнал к началу движения – после всех проверок и калибровки команда
микрокомпьютеру о запуске подпрограммы «движение и поиск дефектов». В
подпрограмме в начале каждого цикла счётчик проверяется на чётность и в
зависимости от результата выбирает движение вниз или вверх. Если панель
достигает максимума перемещения по вертикали запускается перемещение по
горизонтали.
Где робот перемещается на один шаг, равный длине корпуса, после чего
переходит обратно к выполнению подпрограммы вертикального перемещения. В каждой конечной точке робот проверяет, достиг ли он общего максимума перемещения. При положительном сигнале робот возвращается к
начальной точке.
Алгоритм анализа полученных данных, с целью определения характера
повреждения, находится в разработке. Так же предстоит внедрение нечеткой
логики в решении задачи распознавания неисправности.
Вывод по главе 2
В 2 главе была выбрана и описана электроника, выбрано управляющее
звено МП, произведены расчёты приводов и их составляющих, и составлен
алгоритм действий робота.
59
3. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ
3.1 Изучение статических и динамических свойств привода вертикальной степени подвижности
Наиболее простым электромеханическим преобразователем является
двигатель постоянного тока с независимым или параллельным возбуждением.
Такой двигатель описывается следующей системой дифференциальных уравнений:
𝑑𝐼я
𝑈 = 𝐾Ф𝑤 + 𝐼Я 𝑅 + 𝐿
𝑑𝑡
{
𝑑𝑤
𝑀 = 𝑀𝐶 + 𝐽
𝑑𝑡
где: R, L–активное сопротивление и индуктивность якорной цепи;
K–конструктивный коэффициент; Ф – магнитный поток двигателя; J–момент
инерции двигателя и нагрузки.
Для построения статической и динамической характеристик надо обратиться
к структурной схеме для модели ДПТ с линейной механической характеристикой и электромеханической обратной связью рис.3.1.
Рисунок 3.1 - Структурная схема модели ЭМП с линейной механической
характеристикой и электромеханической обратной связью.
Чтобы реализовать управляющее воздействие в виде uзад=Uя=сω , в
структурную схему введен коэффициент с c E = k Е = e/ с[В·с/рад], который
является передаточным коэффициентом ДПТ, с k M = M/i [H·м/А]. Его можно
60
определить через номинальные (каталожные) параметры двигателя
с = (U н - I н R я )/н ,
где Uн, Iн, ωн – номинальные значения напряжения, тока и скорости
е – ЭДС вращения ДПТ;
М – момент двигателя.
Для ДПТ действие электромагнитной обратной связи определяет уравнение электрического равновесия напряжений в главной токовой цепи двигателя,
Тя
d(iR я )
+ iR я = U я - e,
dt
где i-мгновенное значение тока якоря двигателя;
Тя – электромагнитная постоянная времени главной цепи,
Тэ=Lя/Rя; L – индуктивность главной цепи,
Rя – сопротивление главной цепи двигатель – преобразователь.
ДПТ как объект автоматического управления может быть представлен
передаточной функцией по управляющему воздействию ωзад:
W (s)
( s)
1
*
зад ( s ) Т яТ м p 2 Tм p 1
где Тм=Jэкв/ - электромеханическая постоянная времени, величина жесткости широко используется для описания статических свойств ДПТ с помощью механической характеристики ω=f(M), которая в общем виде может
быть представлена:
(1 Т я р) М (0 )
Номинальный момент двигателя (Н), номинальный ток возбуждения
(А), конструктивные постоянные и индуктивность якоря вычисляются по формулам:
Номинальный момент Н м
Mн
Pн
н
30 Pн
30 10
0.07
nн
3.14 1800
Ток в обмотке якоря, А
61
IЯ
Pн 10
0.83
U H 12
С К m = Mн/Iя = 0.07/0.83 = 0,084
KE
30(U я Rя I ) 30(12 0.1 0,83 )
0,058
nн
1800 3,14
Индуктивность, Гн
Lя
30U я C x
30 12 0,084
0,006
nн I я
1800 3,14 0,83
Электромеханическая постоянная времени якорной цепи
TЯ
Lя 0,006
0,06
Rя
0,1
k1
k2
1
1
10
Rя 0.1
Km 0,084
0.49
J
0.17
Рисунок 3.2 - Модель привода вертикальной степени подвижности в Simulink
62
Рисунок 3.3. Статическая характеристика привода вертикальной степени
подвижности
Рисунок 3.4 - Результат моделирования ДПТ
63
3.2 Синтез и настройка ПИ-регулятора скорости
Передаточную характеристику ПИ-регулятора частоты вращения можно
описать как фильтр 1-го порядка. При этом, постоянная времени описывает
динамику контура регулирования и рассчитывается следующим образом:
Т n 1/ K П
где Тn - постоянная времени регулятора частоты вращения;
KП - П- составляющая регулятора частоты вращения.
Существует минимальная постоянная времени, при которой контур регулирования работает стабильно. Если при повышении Kpn постоянная времени становится меньше этого предельного значения, в контуре регулирования частоты вращения начинаются колебания. При этом минимальное достижимое значение Tn зависит от следующих факторов:
динамика регулятора тока;
интервал дискретизации для контроля положения;
частота дискретизации регулятора частоты вращения.
Интегратор (И - составляющая) в регуляторе частоты вращения не ока-
зывает серьезного влияния на постоянную времени TП. Он позволяет избежать
статического отклонения между уставкой и действительным значением частоты вращения при возникающих моментах нагрузки. Настройка параметров
интегратора влияет на переходный режим действительного значения частоты
вращения. При этом, как правило, выполняется настройка на "апериодический
переходный процесс"
Для данных ДПТ, указанного в таблице 2.9 построим биномиальную по
управляющему воздействию, учитывающую электромагнитную обратную
связь и позволяющую определить постоянные времени «результирующего»
колебательного звена второго порядка.
TM
64
J
;
M кз
0
Мкз = Мmax 17,145 Н м;
0 = 1,25с -1 ;
где Мкз - момент короткого замыкания
17,145
17,145
1
TM
0,17
0,01
17,145
По структурной схеме модели на рисунке 3.1:
W ( s)
W ( s)
1 / Tя
Rя
1 Т я s СЕ Т м s
10
0,1
1
1 0,06s 0,058 * 0,01s 0,00058s 0,00035s 2
С учетом электромагнитной обратной связи W(p) по управляющему воздействию:
1
1
0,00058s 0,00035s 2
W (s)
0,058 0,00058s 0,00035s 2
0,058 0,00058s 0,00035s 2
0,00058s 0,00035s 2
Корни характеристического уравнения:
P1 = -0,81
T1
P2 = -0,84
1
1.234
0,81
T2
1
1.19
0,84
В таком случае :
W р ( s)
(T2 s 1) k p
T2 s
kp
kp
T2 s
65
kП
kИ
s
Тогда передаточная функция разомкнутой системы будет равна:
W раз ( s)
(T2 s 1) kcp k p koc
T2 s
kcp k p koc / k E
1/ kE
(T1s 1) (T2 s 1) T2 s (T1s 1)
Оптимум «по модулю» в такой системе достигается при
Tz k E
2T1
kcp k p koc
откуда находятся коэффициенты передачи пропорциональной и интегральной части регулятора.
kП k p
kp
kp
T2 k E
k
П
2T1kcp koc ,
T2
1.19 0,058
0,028
0,028 kn
0,024
2 1.234 10 0,1
1.19
При составлении математического описания датчика положения считается, что сигнал напряжения на его выходе пропорционален величине угла поворота вала рабочего органа во всем диапазоне измерения. Передаточная
функция датчика положения тогда имеет вид:
Wдп (s)
U вых
К дп
где Uвых – напряжение на входе датчика;
φ–значение угла поворота датчика;
Кдп - коэффициент датчика перемещения;
Берём максимальные значения:
66
Wдп (s)
U мах
К лп
Lk
м ах
2 z
5
0,795 Кдп=0.795
2
15000
42
2 3.14 57
Рисунок 3.5 - Модель ДПТc ПИ регулятором скорости и П регулятором положения в Simulink
На рисунке 3.5 показана модель привода лебёдки собранная в среде графического программирования Simulink, c регуляторами по скорости и по положению.
Для моделирования двигателя используем превый цикл работы робота рисунок 1.6 и посмотрим подходит ли наш ДПТ для её выполнения.
67
Рисунок 3.6 –Результаты моделирования
Из моделирования видно ,что привод способен без запаздываний выводить робота на нужную скорость тем самым позволяя выполнять циклограмму составленную для робота.
Вывод по главе 3
Проведя математическое моделирование привода лебёдки в среде Matlab
(Simulink), и исходя из полученных результатов сказать , что выбранный двигатель подходит, по параметрам пуска и продолжительности работы.
68
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В процессе работы над проектом было разработан роботизированный
комплекс для инспекции высотных зданий.
Был произведен анализ: объекта контроля, возможных дефектов, а также
средств для проведения инспекции. Сформулированы основные задачи для
дальнейшего проектирования.
После разработки структурной схемы установки контроля, был спроектирован робот.
Основной частью проекта является проектирование и управление приводами с использованием современного микрокомпьютера.
Программный продукт, касающийся поиска и анализа дефектов находится в разработке.
69
Список используемой литературы
1.
Шошиашвили М.Э., Круглова Т.Н. «Проектирование робототех-
нических и мехатронных систем» Учебное пособие,2012
2.
Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического
управления: Справочник / С.Т. Хвощ, Н.Н. Варлинский, Е.А. Попов. – Л.: Машиностроение, 1987.
3.
Петин В.А. Микрокомпьютеры Raspberry Pi. Практическое руко-
водство.
4.
https://www.alldatasheetru.com/\
5.
https://ru.wikipedia.org/wiki/
6.
Булгаков А.Г. «Промышленные роботы. Кинематика, динамика,
контроль и управление/А.Г. Булгаков, В.А. Воробьев. Серия «Библиотека инженера». – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2007. – 488 с.
7.
http://www.know-house.ru/
8.
Егоров О.Д., Подураев Ю.В., Буйнов М.А. «Робототехнические
мехатронные системы»: учебное пособие.
9.
Д.М. Харрис, С.Л. Харрис «Цифровая схемотехника и архитектура
компьютера» второе издание: учебное пособие.
70