Controlul Sistemelor In Timp Real cu Ajutorul Dispozitivelor Mobile Inteligente

Cuprins

CAPITOLUL 1

Introducere………………………………………………………………………………………………….7

CAPITOLUL 2 – Noțiuni teoretice

2.1 Mașini electrice…………………………………………………………………………………….11

Motorul de curent continuu……………………………………………………………….. 12

Motorul de inducție …………………………………………………………………………..14

Motorul sincron…………………………………………………………………………………20

Mașini electrice speciale(servomotoare) ………………………………………………24

2.2 Microcontrolere…………………………………………………………………………………….26

2.3 Sisteme de acționare………………………………………………………………………………28

2.4 Senzori ………………………………………………………………………………………………..29

CAPITOLUL 3 – Echipamentul și mediul de programare

3.1 LabView………………………………………………………………………………………………34

3.2 FPGA…………………………………………………………………………………………………..39

3.3 N.I. Robotics Starter Kit 2.0……………………………………………………………………42

CAPITOLUL 4 – Realizarea programului

Realizarea programului……………………………………………………………………………….45

Concluzii…………………………………………………………………………………………………..64

Bibliografie……………………………………………………………………………………………….65

Capitolul I

Introducere

În secolul XX, denumit și secolul vitezei tehnologia a avut cel mai mare avans la care omenirea a fost martor, de la începutul timpului și până în prezent. Tehnologia s-a dezvoltat exponențial, dar își continuă dezvoltarea mai ales în secolul XXI unde se pune foarte mult accentul pe programarea și automatizarea proceselor tehnologice. În acest scop am ales și realizat un proiect, în care o să prezint controlul sistemelor în timp real cu ajutorul dispozitivelor mobile inteligente.

Majoritatea vehiculelor autonome, roboții au la baza deplasării lor motoare electrice în special motorul de curent continuu. Motoarele electrice au o varietate foarte mare și sunt utilizate aproape peste tot, începând din casele noastre de la aspirator, mașina de găurit, râșniță de cafea și până în domenii industriale: pompe, benzi transportoare, macarale etc.

Un domeniu foarte important și în care se pune accentul tot mai mult pe motoarele electrice este în industria auto, unde deja se trece la înlocuirea sistemului de propulsie adică motorul cu combustie internă care are un randament slab în a transforma energia termică de ardere în energie mecanică cu motorul electric care are un randament ridic și în plus fața de motorul cu ardere internă transformarea energiei are loc și în sens invers, din energie mecanică în energie electrică adică un generator electric.

Fig 1.1 Structura mașinii electrice moderne[18]

Istoria roboților își are originea în lumea antică. Conceptul modern a început să se dezvolte odată cu debutul revoluției industriale care a permis utilizarea mecanicii complexe iar ulterior energia electrică. Acest lucru a făcut posibilă punerea în funcțiune a diferitelor mașinării cu motoare electrice mici. Astăzi se pot construii roboți de dimensiuni umane care au capacitatea de a imita mișcările omului și de a gândi singuri.

Roboții autonomi:

În 1941 și 1942, Isaac Asimov a formulat cele 3 legi ale roboticii de unde a și apărut cuvântul "robotică". În 1948, Norbert Wiener a formulat principiile ciberneticii, baza roboticii.

Primii roboți electrici autonomi cu un comportament complex au fost creați de către William Grey Walter de la Institutul de Neurologie Burden din Bristol, Anglia în anii 1948 și 1949. El a vrut să demonstreze că o vastă legătură între câteva celule ale creierului ar putea da naștere unor comportamente foarte complexe, în esența secretul funcționarii creierului se afla în modul în care acesta a fost cablat. Primii lui roboți s-au numit Elmer și Elsie, dar au fost adesea descriși ca broaște țestoase din cauza formei și a ritmului foarte lent de deplasare. Aceștia practic erau capabili să găsească drumul către o stație de încărcare atunci când se bateriile erau aproape descărcate.

Fig 1.2 Robotul Elsie[19]

Primele utilizări ale roboților moderni au fost în fabrici ca și roboți industriali, mașini de producție simple capabile să funcționeze fără asistența umană. Roboții industriali cu inteligența artificială au fost folosiți încă din anul 1960.

În anii 1970 roboții Freddy și Freddy ÎI construiți în Regatul Unit, erau capabili să asambleze blocuri de lemn în doar câteva ore. Compania germană KUKA a construit primul robot industrial cu șase axe controlate electromecanic cunoscut sub numele de FAMULUS.

SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) a fost creat în anul 1978 ca un braț robotic cu 4 axe. Brațul a fost foarte eficient la mutarea diferitelor obiecte dintr-o locație în alta, SCARĂ a fost integrată în liniile de asamblare în 1981.

În 1994 Dr. John Alder a inventat Cyberknife, un robot capabil să efectueze radio chirurgie care oferea un tratament alternativ al tumorilor cu o precizie comparabilă cu cea a unui medic.

Robotul umanoid P3 a fost prezentat de către Honda în anul 1998 ca o continuare a proiectului de roboți humanoizi iar în 1999 Sony a prezentat pe AIBO, un câine robot capabil să interacționeze cu oamenii, primele modele lansate s-au vândut în primele 20 de minute. Honda a dezvăluit în 2000 proiectul lor cel mai avansat la aceea perioadă și anume ASIMO. ASIMO care capacitatea de a merge, de a alerga, să comunice cu oamenii, de recunoaștere facială, recunoaștere a vocii și interacționează cu mediul înconjurător.[5]

Fig 1.3 Robotul ASIMO[20]

Roboții au o implicare mare în viața omului din secolul XXI, mai ales în armata unde se dezvolta și se folosesc vehicule autonome sau controlate de la distanța, cum ar fi dronele, vehicule cu echipamente și vehicule cu diferite tipuri de armament. Roboții mai sunt folosiți în cazuri de calamitații sau dezastre, de exemplu se pot trimite roboți în zone cu radiații puternice periculoase pentru om pentru a efectua diverse sarcini sau de a aduna informații.

În acest sens s-a ales acest proiect pentru că este un domeniu de actualitate, cu o implicare din ce în ce mai mare.

Pentru partea practică s-a ales programarea robotului oferite de către Național Instruments, NI LabVIEW Starter Kit 2.0 în mediul de programare LabVIEW.

Scopul acestei lucrări este dezvoltarea unui program pentru controlul vehiculelor sau a roboților de la distanță în timp real, evitarea obiectelor care apar pe parcursul deplasării sale și afișarea pe interfața grafică a programului deplasarea robotului și datele provenite de la senzorul acestuia.

Controlul și comanda acestuia se face prin acționarea celor 2 motoare electrice dispuse la roțile acestuia de la distanță prin intermediul accelerometrului dintr-un dispozitiv inteligent (smartphone) cu sistem de operare android conectat prin bluetooth.

Fig 1.4 National Instruments Starter Kit 2.0[13]

CAPITOLUL 2

Noțiuni Teoretice

2.1 Mașini electrice

Definirea mașinii electrice:

Mașina electrică este un convertor electromecanic care transformă prin intermediul câmpului magnetic energia electrică in energie mecanică când funcționează în regin de motor sau invers, energia mecanică în energie electrică când funcționează în regim de generator.

Fig 2.1 Regimurile de funcționare ale mașinii electrice[6]

În situația în care o mașină electrică primește simultan energie electrică și energie mecanică și le transformă in căldură, mașina funcționând in regim de frână. Excepție făcând transformatorul, care transformă o energie electrică de anumiți parametri in energie electrică de parametrii diferiți.

Toate tipurile de mașini electrice sunt reversibile, conform principiului enunțat de Lenz în 1834: Regimul de funcționare al mașinilor electrice depinde doar de sensul de circulație al puterilor.

Clasificarea mașinilor electrice se poate reliza dupa mai multe criterii de clasificare:

a) după felul curentului la bornele mașinii

b) după numărul de faze

c) după felul mișcării

d) după numărul de câmpuri magnetice

După felul curentului la bornele mașinii se disting două mari categori: de curent continuu si de curent alternativ. După numărul de faze avem monofazate și polifazate (cel mai tipic trifazat), după felul mișcarii se disting mașinile electrice rotative și mașinile electrice liniare, iar după numărul de câmpuri magnetice sunt mașinile cu doua câmpuri magnetice (cu înfașurari parcurse de curenți și/sau magneți permanenți pe ambele armături) sau cu un singur câmp (cu înfăsurări parcurse de curenți și/sau magneți permanenți numai pe o armătura, de obicei cea statorică).

O altă clasificare întalnită în literatura de specialitate împarte mașinile in clasice si speciale.

Mașinile clasice au la baza funționării lor principiile generale ale conversiei electromecanice ale energiei și sunt larg răspândite în diverse domenii de utilizare. Cele trei mașinii electrice rotative clasice sunt:

a) mașina de curent continuu cu colector;

b) mașina de inducție (asincronă);

c) mașina sincronă cu excitașie electromagnetică.

Mșinile electrice speciale au caracteristici speciale , de o construcție specială, ultilizare specială și alimentare specială. Spre deosebire de mașinile electrice clasice care au la baza fucționarii lor principiile generale ale convesiei electromecanice ale energiei, la mașinile speciale se mai ultilizează și alte efecte cum ar fi: cel al histerezisului magnetic, al inducșiei unipolare sau al anizotropiei de formă etc. Mașinile electrice speciale se utilizează cu preponderența în sistemele industriale automatizate (elemente de execuție, traductoare, amplificatoare), în autovehicule si in centrale electrice bazate pe nergii regenerabile.

Motorul de curent continuu

Motorul de curent continuu a fost inventat de Zénobe Gramme în 1873 prin conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemănător. Astfel, a putut observa că mașina se rotește, realizând conversia energiei electrice absorbite de la generator. Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici și bobinele polare concentrate care creează câmpul magnetic de excitație. Pe axul motorului este situat un colector ce schimbă sensul curentului prin înfășurarea rotorică astfel încât câmpul magnetic de excitație să exercite în permanență o forță față de rotor.

Fig 2.2 Mașina de curent continuu[6]

În funcție de modul de conectare a înfășurării de excitație motoarele de curent continuu pot fi clasificate în:

a) motor cu excitație independentă(separație) – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt conectate la două surse separate de tensiune

b) motor cu excitație paralelă (derivație) – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în paralel la aceași sursă de tensiune

c) motor cu excitație serie – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în serie

d) motor cu excitație mixtă – unde înfășurarea statorică este divizată în două înfășurări, una conectată în paralel și una conectată în serie.

Fig 2.3 Modul de conectare a înfasurărilor de excitatie[6]

Curent care parcurge înfășurarea rotorică va avea una sau mai multe perechi de poli magnetici echivalenți. Rotorul se deplasează în câmpul magnetic de excitație până când polii rotorici se aliniază în dreptul polilor statorici opuși. În același moment, colectorul schimbă sensul curenților rotorici astfel încât polaritatea rotorului se inversează și rotorul va continua deplasarea până la următoarea aliniere a polilor magnetici.

Magneții pemanenți se folosesc în general pentru acționări electrice de puteri mici și medii, sau pentru acționări ce nu necesită câmp magnetic de excitație variabil, în locul înfășurărilor statorice.

Tensiunea aplicată înfășurării rotorice este proporțională cu turația motorului și invers proporțională cu câmpul magnetic de excitație. Turația se reglează prin varierea tensiunii aplicată motorului până la valoarea nominală a tensiunii, iar turații mai mari se obțin prin slăbirea câmpului de excitație. Ambele metode vizează o tensiune variabilă ce poate fi obținută folosind un generator de curent continuu (grup Ward-Leonard), prin înserierea unor rezistoare în circuit sau cu ajutorul electronicii de putere (redresoare comandate, choppere). Motor universal folosit la râșnițele de cafea

Cuplul dezvoltat de motor este direct proporțional cu curentul electric prin rotor și cu câmpul magnetic de excitație.

(2.1)

Reglarea turației prin slăbire de câmp se face, așadar, cu diminuare a cuplului dezvoltat de motor. La motoarele serie același curent străbate înfășurarea de excitație și înfășurarea rotorică.

Caracteristica mecanică a motoarelor de curent continuu este dependența, grafică sau analitic, dintre turația n și cuplul M:

n=f(M)

și se trasează pentru U=ct. și Rex=ct.

Aceasta caracteristică arată modul cum variază turația n, a motorului când variază cuplul de sarcină M.

Din această considerație se pot deduce două caracteristici ale motoarelor serie: pentru

încărcări reduse ale motorului, cuplul acestuia depinde de pătratul curentului electric absorbit; motorul nu trebuie lăsat să funcționeze în gol pentru că în acest caz valoarea intensității curentului electric absorbit este foarte redusă și implicit câmpul de excitație este redus, ceea ce duce la ambalarea mașinii până la autodistrugere. Motoarele de curent continuu cu excitație serie se folosesc în tracțiunea electrică urbană și feroviară (tramvaie, locomotive).

Schimbarea sensului de rotație se face fie prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare, fie prin schimbarea sensului câmpului magnetic de excitație. La motorul serie, prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare se realizează schimbarea sensului ambelor mărimi și sensul de rotație rămâne neschimbat. Așadar, motorul serie poate fi folosit și la tensiune alternativă, unde polaritatea tensiunii se inversează o dată în decursul unei perioade. Un astfel de motor se numește motor universal și se folosește în aplicații casnice de puteri mici și viteze mari de rotație (aspirator, mixer).

Mașina de inducție (asincronă)

Masina de inductie este prevazută cu înfasurări plasate în crestături distribuite pe periferia statorului și a rotorului. Aceste crestături sunt realizate din tole feromagnetice.

Înfasurarile sunt parcurse de curent alternativ de diferite frecvențe atat în stator cât si in rotor.

        Câmpul magnetic învartitor este produs de către înfasurarea primară. Aceasta poate fi monofazată, bifazată, sau trifazată. Cele mai multe mașini de inducție, mai ales cele pentru acționarile industriale sunt trifazate. În cadrul mașinii de inducție, statorul este inductorul, iar rotorul este indusul.

Rotorul (indusul) se realizează în doua variante : rotor în colivie, și rotor bobinat. În cazul rotorului în colivie, aceasta poate fi: simplă sau dublă, din aluminiu, alama, cupru. În cazul rotorului bobinat, pe periferia rotorului se plasează o înfăsurare trifazată plasată la inele de contact.

Mașina de inducție poate funcționa in 2 regimuri: de motor și generator

Masina de inducție se utilizează cel mai des în regim de motor, la tensiuni până la 10KV, puteri până la 25 MW, si turații pana la peste 100 000 rpm in aplicații speciale la puteri mici. În cadrul aplicațiilor speciale de puteri mari menționam acționarea pompelor centrifuge, a ventilatoarelor, etc.

În domeniul acționărilor electrice cea mai utilizată mașina este cea de inducție datorită fiabilitații sale precum și a costului redus. În cazul în care avem nevoie de turații variabile în anumite acționari electrice, masina de inducție se alimentează prin convertoare statice de putere în stator la domenii largi de variație a tutației, și în rotor la domenii restranse de variație a turației mașinii cu rotor cu inele( bobinat).

Câmpul magnetic învartitor va induce în infăsurarea rotorica o tensiune prin intermediul inducției electromagnetice . Această tensiune crează un curent electric prin infăsurare și asupra acestei infăsurari actionează o forța electromagnetică ce pune rotorul in mișcare in sensul câmpului magnetic învartitor. Motorul se numește asincron pentru că turația rotorului este întotdeauna mai mica decat turația câmpului magnetic învartitor, denumită si turație de sincronism. Daca turația rotorului ar fi egala cu turația de sincronism atunci nu ar mai avea loc fenomenul de inducție electromagnetică, nu s-ar mai induce curenți in rotor și motorul nu ar mai dezvolta cuplu.[7]

Fig 2.4 Secțiune prin M.I.[6]

Elementele principale evidențiate mai sus sunt realizate din diferite materiale: statorul este prevăzut cu miez magnetic din tole silicioase cu cristale neorientate în care se practică pe întreaga periferie crestături pentru a acomoda o înfășurare de curent alternativ mono sau trifazata, rotorul este deasemenea prevăzut cu miez magnetic din tole cu crestături în care se plasează bare conductoare scurtcircuitate prin inele la capătul mașinii ( în cazul rotorului în colivie), sau o înfășurare trifazată conectată la inele de contact( în cazul rotorului bobinat).

Funcționarea mașinii asincrone în regim de motor. La alimentarea înfășurării statorice (trifazata și simetrică) cu un sistem de tensiuni trifazat, simetric și echilibrat, spirele înfășurării vor fi străbătute de curenți, care formează, de asemenea, un sistem trifazat, simetric și echilibrat, așa cum se reprezintă schematic în figură de mai jos:

Fig 2.5 Curenții din înfășurări[7]

Curenții de pe toate cele 3 faze au aceeași amplitudine, aceeași frecvență, dar sunt defazați cu câte (2*pi)/3 (120) grade electrice.Variația în timp a curenților este reprezentată în figură următoare:

Fig 2.6 Variația în timp a curenților[7]

      Solenațiile înfășurărilor sunt repartizate simetric la periferia armaturii și variază în timp cu aceeași frecvență, dar defazat    cu

        2π/3 grade electrice.Sunt astfel îndeplinite condițiile de      producere a unui câmp magnetic învârtitor, numit câmp      magnetic  inductor.

Înfășurarea rotorica, fie că este formată dintr-o colivie polifazată, fie că este o înfășurare trifazată scurtcircuitata, funcționează cu circuitele fazelor închise. Câmpul învârtitor induce în înfășurările rotorice (polifazate și simetrice), un sistem de tensiuni electromotoare polifazat

simetric și echilibrat. Dacă rotorul este în repaus( are turația n2=0),atunci între înfășurările dintre stator și rotor se crează un cuplaj transformatoric, frecventa tensiunilor induse fiind f1=f2.

La funcționarea în gol este explicată alunecarea rotorului față de câmpul învârtitor inductor, prin existența frecărilor care-i  însoțesc mișcarea rotorului (frecările din lagăre și frecările cu aerul, în procesul de ventilație) și care produc un cuplu de frânare (opus cuplului electromagnetic). Pe de altă parte, dacă turația rotorului și a câmpului învârtitor ar fi egale, deci s = 0, în înfășurarea rotorica nu s-ar induce tensiuni electromotoare, astfel încât nu ar putea să apară curenți rotorici, nu ar exista câmpul învârtitor de reacție și nu s-ar produce cuplu electromagnetic; în concluzie, motorul nu ar putea funcționa. Mărimea alunecării da 'masura' încărcării în sarcina a motorului asincron, deoarece la funcționarea în sarcina cuplul de frânare (rezistent) al mecanismului acționat mărește alunecarea față de valoarea de la funcționarea în gol.

Se consideră pentru mărimile electrice și magnetice care intervin în funcționarea mașinii, în această tratare, forma armonica de variație în timp, respectiv se iau în considerare numai armonicile fundamentale; această ipoteză este motivată, pe de o parte, prin faptul că numai ele au rol în transmiterea puterii utile prin mașină (armonicile superioare au numai efecte negative în funcționare – cupluri parazite și pierderi suplimentare), iar pe de altă parte, permite simplificarea semnificativă a expresiilor acestor mărimi, în condițiile în care principalele fenomene electromagnetice sunt pe deplin explicate.

        Din motive de simetrie, în reprezentarea ecuațiilor mașinii asincrone se consideră faza reprezentativă (de exemplu faza A-X din stator, respectiv a-x din rotor), iar mărimile electrice de faza primesc indicele (1) pentru stator și indicele (2) pentru rotor. Ecuațiile scrise pentru faza reprezentativă pot fi ușor adaptate la celelalte două faze prin introducerea defazajului caracteristic de (2/pi)/3[7]

Ecuații generale:

Pentru a putea scrie ecuațiile mașinii de inducție, vom porni de la figura următoare:

Fig 2.7 Distribuția înfășurărilor[7]

 În scrierea ecuațiilor mașinii de inducție se neglijează deocamdată saturația, pierderile în fier, și armonicile din câmpul magnetic și cele din tensiunea indusă.Se consideră toate toate fazele statorice, și respectiv rotorice cuplate     exclusive prin câmpul principal și cu asocierea sensurilor de receptor în stator și rotor.

Ecuațiile celor 3 faze se scriu sub forma:

(2.2)

Ecuațiile fluxurilor se pot scrie și sub forma:

(2.3)

Matricea inductanțelor se scrie sub forma de mai jos:

(2.4)

Cuplul mașinii de inducție:

a) Cuplul electromagnetic al mașinii asincrone se poate exprima, ca la orice masină prin relația de mai jos:

(2.5)

b) Cuplul mecanic se scrie cu ajutorul relației următoare:

(2.6)

        Dacă se consideră  (2.7)

dacă ținem seama de definiția alunecării , și de relațiile de mai sus, vor rezulta relațiile de   mai jos:

 ;    (2.8)

   (2.9)

-pierderi prin efect Joule

În funcție de alunecare ,cuplul electromagnetic se scrie cu ajutorul relației de mai jos:

(2.10)

(2.11)

      Pentru a reprezenta grafic M(s), caracteristică mecanică a mașinii asincrone, după relația de mai sus, se pot face     aproximări pentru diferite zone de variație a alunecării, și se  pot pune în evidență anumite puncte specifice, rezultând curba      trasată în figură următoare:

[7]

Fig 2.8 Caracteristica M=f(s) a mașini de inducție

Motorul sincron

  Mașina sincronă este tipul de mașina electrică rotativa de curent alternativ care, pentru o tensiune la borne de frecvență dată, funcționează cu o turație riguros constantă.

Regimul de bază în funcționarea mașinii sincrone este regimul de generator electric, la fel cum regimul de motor este cel de bază pentru mașina asincronă. Mașina sincronă în regim de generator reprezintă baza economică a producerii energiei electrice în toate centralele electrice actuale. În acest regim de funcționare mașinile sincrone ating cele mai mari puteri nominale fiind cele mai mari mașini electrice construite de om.

Considerații economice pledează pentru creșterea neîncetata a puterii nominale a generatoarelor sincrone (scad investițiile specifice în lei/kW, crește randamentul). Cele mai mari mașini sincrone actuale au atins puteri de 1200MW ca turbogeneratoare și 700MW ca hidrogeneratoare.

Regimul de motor sincron se folosește mai cu seamă datorită avantajelor față de motoarele asincrone (randament mai ridicat, factor de putere mergând până la unitate, cuplu invariabil cu turația, întrefier mai mare). Lucrul acesta a fost cu putință numai după ce tehnica a putut rezolva cu succes doua deficiențe grave ale motorului sincron: absenta cuplului de pornire și posibilitatea de pendulare cu pericolul desprinderii din sincronism (pierderea stabilității). În acest regim de funcționare mașina sincronă se folosește în toate acționările ce necesită o turație constantă (compresoare, mori cu bile, pompe de irigații, etc.) înlocuind din ce în ce mai mult motoarele asincrone (în special la puteri mari unde primează considerentele economice: randament, factor de putere).

Un alt regim de funcționare particular mașinii sincrone este compensatorul sincron, regim în care axul mașinii se învârte în gol mașina servind la îmbunătățirea factorului de putere al rețelei, compensând energia reactiva consumată în special de motoarele asincrone alimentate din rețea.

Regimul de frâna este mai rar întâlnit la mașina sincronă

Elemente constructive ale mașinii sincrone

În construcția uzuală, mașina sincronă se compune din două părți principale:

– statorul, reprezentat de partea fixă, exterioară;

– rotorul, așezat concentric în interiorul statorului și care constituie partea mobila.

Statorul la mașina sincronă de construcție obișnuită reprezintă indusul mașinii și este format dintr-un miez feromagnetic care poartă în crestături o înfășurare de curent alternativ trifazat fiind foarte asemănător din punct de vedere constructiv cu statorul mașinii asincrone trifazate.

Miezul feromagnetic se realizează din tole sau segmente de tole stanțate din oțel electrotehnic grosime izolate între ele cu lac izolant sau oxizi ceramici împachetate în pachete, între pachete prevăzându-se canale radiale de răcire. Miezul se consolidează cu tole marginale și se presează cu ajutorul unor placi frontale pentru a evita apariția vibrațiilor în timpul funcționării.

Înfășurarea statorica este repartizată (q > 1) și se conectează la rețeaua trifazată de c.a. Înfășurarea se realizează din conductor (bare) de cupru izolat cu fibre de sticlă, micanita sau rășini sintetice în funcție de clasa de izolație și de tensiunea nominală. La mașina sincronă trifazata, înfășurarea statorului se conectează în stea pentru a se evita închiderea armonicilor curentului de ordinul 3 și multipli de 3, precum și apariția unor armonici de același ordin în curbă tensiunii de faza.

Carcasa mașinii se realizează din oțel turnat (la mașinile mici) sau din tabla sudată de oțel (la mașinile de puteri mari și foarte mari) și poarta dispozitivele de fixare pe fundație (tălpi), inelele de ridicare, cutia de borne a indusului și a inductorului, plăcută indicatoare și scuturile frontale .

La mașinile mijlocii scuturile pe lângă rolul de protecție sunt prevăzute și cu lagăre, iar unul dintre scuturi susține port-periile cu periile de contact.

Fig 2.9 Mașina asincrona (secțiune)[9]

Plăcută indicatoare conține de obicei principalele date nominale ale mașinii: puterea nominală aparentă (kVA sau MVA) și activă (kW sau MW), factorul de putere nominal (cos ), jn tensiunea și curentul nominal de linie (V; kV; A; kA), tensiunea și curentul nominal de excitație (V; A), randamentul nominal , hn turația nominală (rot/min), frecventa nominală (Hz), numărul de faze și conexiunea lor.

Rotorul mașinii sincrone cuprinde miezul feromagnetic rotoric, înfășurarea rotorica, inelele colectoare, ventilatorul.

Miezul rotoric are două variante constructive:

a) cu poli aparenți;

b) cu poli înecați.

Miezul cu poli aparenți este format dintr-o serie de poli (piese polare) fixați la periferia unei roți polare solidare cu arborele mașinii. Polii posedă înfășurări de excitație în curent continuu. Bobinele de excitație ale polilor se leagă în serie sau paralel, în așa fel încât polaritatea polilor să alterneze la periferia rotorului. Alimentarea bobinelor se face prin intermediul inelelor de contact solidare cu arborele (inele izolate între ele și față de masă și la care se leagă capetele înfășurării de excitație) și a două perii fixe care freacă pe inelele de contact. La periferia interioară a statorului, în această variantă, întrefierul este neuniform, de grosime relativ mică sub piesele polare și foarte mare în zonele dintre poli.

Miezul cu poli înecați este o construcție cilindrică masivă din oțel de mare rezistență.

La periferia rotorului se taie o serie de crestături în care se plasează spirele bobinelor de excitație în c.c. a polilor. Înfășurarea unui pol acoperă, de obicei, două treimi din deschiderea unui pol, în mijlocul polului rămânând o zonă de aproximativ o treime din deschiderea polului în care nu sunt practicate crestături. Această zonă se mai numește dinte mare, spre deosebire de ceilalți dinți cu deschidere mult mai mică care separa crestăturile. Capetele frontale ale bobinelor sunt puternic strânse prin bandaje masive pentru a face față solicitărilor centrifuge. Această variantă constructivă conduce la un întrefier constant, la periferia interioară a statorului.[8]

Fig 2.10 Miezul rotoric cu poli aparenți(stânga) și cu poli înecați(dreapta)[8]

Tipuri de sisteme de excitație:

– cu mașina excitatoare, de fapt un generator de curent continuu cu excitație separată sau derivație (autoexcitație) cuplat pe același ax cu generatorul sincron. Avantajul metodei consta în faptul că tensiunea de excitație rezulta constantă nedepinzând de tensiunea rețelei. Probleme deosebite apar la turații mici (hidrogeneratoare) care au gabarit mai mare a excitațiilor și la turații mari (turbogeneratoare) unde apar limitări datorită comutației (apar scânteieri la perii). Aceste considerente limitează puterea excitatoarelor de curent continuu la cca. 500 kW;

Fig 2.11 Tipurile de sisteme de excitație (cu mașină excitatoare si excitare statică)[8]

-cu excitație statică, de fapt o punte redresoare monofazata care redresează o fază statorica de c.a., rotorul fiind alimentat de la acest redresor prin intermediul periilor. Se elimină astfel dezavantajul folosirii mașinilor electrice, cu inerțiile maselor în mișcare și uzura în timp. Sistemele de excitație statice sunt simple, performante, cu întreținere minimă și cu siguranță în exploatare.

-cu mașini excitatoare fără perii. Generatorul sincron de excitație este de construcție inversată. Rotorul generatorului principal GS și rotorul generatorului sincron de excitație GSe sunt realizate “în continuare”, iar pe rotorul comun se dispun montate pe două discuri diodele ce alcătuiesc redresorul rotitor. Legăturile redresorului cu înfășurarea de excitație devin fixe dispărând astfel sistemul de perii.[8]

Fig 2.12 Mașină cu excitatoare fără perii[8]

Principiul de funcționare a generatorului sincron

La mașina sincronă cel mai des întalnit regim este acela de generator. Alimentată în curent continuu, înfășurarea de excitație, este antrenată de un motor primar la viteza de sincronism. Câmpul magnetic învârtitor care este dat de sistemul inductor, produce un flux magnetic variabil în timp, care înlănțuie spirele fiecărui circuit de fază a înfășurării statorului și induce o tensiune electromotoare, în fiecare fază. Decalajul spațial al celor trei faze determină apariția unui sistem trifazat de tensiuni. Dacă la bornele statorului este conectată o impedanță trifazată simetrică, atunci înfășurările vor fi parcurse de un sistem trifazat de curenți, care va da naștere unui câmp magnetic învârtitor, numit câmp magnetic de reacție ce se rotește tot cu viteza sincronă ca și câmpul învârtitor de excitație (inductor). Cele două câmpuri magnetice se compun și se obține câmpul magnetic învârtitor rezultant din mașină. Generatorul sincron debitează pe impedanța de sarcină o putere electrică P2 care este mai mică decât puterea mecanică P1 primită la ax de la motorul primar, datorită pierderilor.

Fig 2.13 Bilanțul energetic al generatorului sincron[15]

În figura 2.13 se reprezintă bilanțul energetic al generatorului sincron. Pierderile în excitatoare se iau în considerare numai dacă excitatoarea este cupla-tă pe axul mașinii sincrone. În fierul rotoric nu se pro-duc pierderi deoarece curentul de excitație este conti-nuu și fluxul este constant în timp. Dacă din puterea mecanică primită la ax se scad pierderile mecanice, se obține puterea P, transferată statorului prin întrefier numită putere electromagnetică. Cuplul electromagnetic este un cuplu rezistent și se opune cuplului activ dat de motorul primar fiind definit prin relația:

(2.12)

Din puterea electromagnetică P preluată de către stator, cea mai mare parte se transferă sub formă de putere electrică impedanței de sarcină și numai o parte se consumă pentru acoperirea pierderilor prin efect electrocaloric în înfășurarea trifazată și o altă parte acoperă pierderile în fierul statorului încât se poate scrie relația:

(2.13)

și se poate defini randamentul generatorului.

Mașini electrice speciale (servomotoare)

Mașinile electrice speciale constituie componente de o deosebită importantă pentru sistemele automate îndeplinind funcții diverse: elemente de execuție, traductoare, amplificatoare, etc. O dată cu dezvoltarea producției de instalații automate complexe, care implică producerea componentelor discrete de putere la frecvențe ridicate, a circuitelor larg integrate, a microprocesoarelor, a minicalculatoarelor de proces, a interfețelor și traductoarelor, s-a trecut la realizarea unor serii de mașini electrice speciale având posibilități de adaptare eficienta în asemenea scopuri. În ultimii ani s-a acordat o deosebită atenție proiectării și realizării în țara noastră a diverselor tipuri de mașini electrice speciale, dintre care enumeram: servomotoare de curent continuu cu excitație electromagnetică și, respectiv, excitate cu magneți permanenți, servomotoare asincrone bifazate, motoare sincrone cu reluctanta variabilă, motoare cu histerezis, motoare pas cu pas, servomotoare sincrone fără perii (cu comutație statică), selsine, inductosine, transformatoare rotative, tahogeneratoare de c.c. și de curent alternativ.

Spre deosebire de mașinile electrice clasice, care au la baza funcționarii lor principiile generale ale conversiei electromecanice ale energiei (cel mai important fiind cel al inducției electromagnetice), la mașinile electrice speciale se mai utilizează și alte efecte cum ar fi cel al histerezisului magnetic, al inducției unipolare, al anizotropiei de formă.

Combinarea diverselor principii conduce la obținerea unor mașini speciale care, deși, în general, au o construcție similară cu mașinile clasice, pot avea caracteristici de funcționare adecvate scopului urmărit. Ca exemple, în acest sens, pot fi date mașinile cu comutație statică, mașinile amplificatoare, motoarele cicloidale (cu rotor rulant), traductoarele de poziție.

Datorită spațiului limitat al lucrării de față, în acest capitol, vor fi prezentate doar o parte din mașinile speciale utilizate în practică, insistându-se pe acelea care au o arie mai mare de răspândire.

Trebuie precizat, totodată, ca realizarea acestor mașini speciale nu ar fi fost posibilă fără apariția, pe plan mondial, a unor noi tehnologii și a unor noi materiale. Revoluția produsă, în cadrul mașinilor electrice speciale, este, în același timp, rezultatul atât al apariției de noi magneți permanenți (magneți permanenți pe bază de pământuri rare) cât și al dezvoltării impetuoase a electronicii. [2]

Mașini electrice speciale de curent continuu

Servomotoarele și tahogeneratoarele de curent continuu intra în categoria mașinilor speciale de curent continuu, întâlnite frecvent în componența sistemelor automate. Servomotoarele de curent continuu sunt destinate să convertească semnalul electric, de forma unei tensiuni amplificate venită de la un traductor, într-o mișcare de rotație a unui arbore. Mecanismul, cuplat mecanic la arbore, executa, astfel, operația comandată.

Un servomotor trebuie să prezinte o serie de caracteristici deosebite, cum ar fi:

a) reglaj de viteză în limite foarte largi, prin procedee simple;

b) caracteristici de reglare și mecanice, pe cât posibil, liniare;

c) cuplu de pornire mare;

d) capacitate de suprasarcină ridicată;

e) gabarit și greutate specifică mică;

f) constantă electromecanică de timp redusă;

g) absența autopornirii, etc.

Dezavantajele servomotoarelor de curent continuu – prezența colectorului și a fenomenelor de comutație, zgomotul mare, fiabilitatea scăzută – limitează utilizarea acestora în medii explozive sau cu mult praf.

Construcția servomotoarelor de curent continuu

Din punct de vedere constructiv, servomotoarele cuprind aceleași elemente ca și mașinile clasice de curent continuu, particularitățile constructive fiind dictate de gabaritele mici, constantele de timp reduse, gama de viteza impusă etc.

Se disting următoarele tipuri constructive de servomotoare:

– cu rotor cilindric cu crestături;

a) cu rotor disc (întrefier axial);

b) cu rotor în formă de pahar;

– cu rotor cilindric fără crestături.

În ceea ce privește tipul de excitație folosit, exista variantele:

a) cu excitație electromagnetică (separată, serie);

b) cu excitație cu magneți permanenți;

c) cu excitație hibridă (electromagnetică și cu magneți permanenți).

Servomotoarele cu excitație electromagnetică se construiesc, în general, pentru puteri mari, dar, în ultimul timp, se utilizează, tot mai frecvent, magneții permanenți, datorită unor avantaje: dimensiuni mai mici, randamente mai bune, probleme de răcire mai simple.

Fig 2.14 Servomotor de curent continuu[16]

2.2 Microcontrolere

Microcontrolerul este o structură electronică destinată controlului unui proces sau, mai general, este un microcircuit care incorporează o unitate central (CPU) și o memorie împreună cu resurse care-i permit interaciunea cu mediul exterior. Microcontrolerul diferă de un microprocesor în multe feluri. În primul rând și cel mai important este funcionalitatea sa. Pentru a fi folosit, unui microprocesor trebuie să i se atașeze alte componente ca memorie și componente pentru primirea și trimiterea de date. Microcontrolerul este proiectat să fie toate acestea într-unul singur. Nu sunt necesare alte componente externe pentru utilizarea sa pentru că toate perifericele necesare sunt deja incluse în el.

Toate aplicațiile în care se utilizează microcontrolere fac parte din categoria așa ziselor sisteme încapsulate-integrate (“embedded systems”), la care existența unui sistem de calcul incorporat este (aproape) transparentă pentru utilizator. Pentru ca utilizarea lor este de foarte multe ori sinonimă cu ideea de control, microcontrolerele sunt utilizate masiv în robotică și mecatronică. Conceptul de mecatronică este pană la urmă indisolubil legat de utilizarea microcontrolerelor. Automatizarea procesului de fabricație-producție este un alt mare beneficiar: CNC Computerised Numerical Controls-comenzi numerice pentru mașinile unelte, automate programabile -PLC, linii flexibile de fabricație, etc.

Printre multele domenii unde utilizarea lor este practic un standard industrial se pot menționa: în industria de automobile (controlul aprinderii/motorului, climatizare, diagnoză, sisteme de alarmă, etc.), în așa zisa electronică de consum (sisteme audio, televizoare, camere video și videocasetofoane, telefonie mobilă, GPS-uri, jocuri electronice, etc.), în aparatura

electrocasnică (mașini de spălat, frigidere, cuptoare cu microunde, aspiratoare), în controlul mediului și climatizare (sere, locuințe, hale industriale), în industria aerospațială, în mijloacele moderne de măsurare – instrumentație (aparate de măsură, senzori și traductoare inteligente), la realizarea de periferice pentru calculatoare, în medicină.

Există la ora actuală un număr extrem de mare de tipuri constructive de microcontrolere. Un criteriu de clasificare care se poate aplica întotdeauna este lungimea (dimensiunea) cuvântului de date.

Funcție de puterea de calcul dorită și de alte caracteristici se pot alege variante având dimensiunea cuvântului de date de 4, 8,16 sau 32 de biți (există chiar și variante de 64 de biți!). Nu este obligatoriu ca dimensiunea cuvântului de date să fie egală cu dimensiunea unui cuvânt mașină (cuvânt program). Există și multe variante zise dedicate, neprogramabile de utilizator la nivel de cod mașină, strict specializate pe o anumită aplicație, prin intermediul codului preprogramat și al resurselor hardware, utilizate pentru comunicații, controlul tastaturilor, controlul aparaturii audio/video, prelucrarea numerică a semnalului, etc.

Structura unui microcontroler:

1)Unitatea de memorie

Memoria este o component a microcontrolerului a cărei funcție este de a înmagazina date.

Fig 2.15 Unitatea de memorie[10]

Memoria constă din toate locațiile de memorie, iar adresarea acesteia nu este altceva decât selectarea uneia din ele. Aceasta înseamnă că putem selecta o locație de memorie la un capăt, și la celălalt capăt trebuie să așteptm conținutul acelei locaii.

În afară de citirea dintr-o locaie de memorie, memoria trebuie de asemenea să permită scrierea în ea. Aceasta se face prin asigurarea unei linii adiționale numit linie de control.

2)Unitatea centrală de procesare

Unitatea centrală de procesare, (CPU) este structurată pe locații de memorie având capabilitate incorporat de înmulțire, împărțire, scădere și adunare și permite mutarea conținutul dintr-o locație de memorie în alta. Locațiile ei de memorie ale CPU sunt numite regiștri.

Fig 2.16 Unitatea centrală de procesare[10]

3)Bus-ul

„Calea” este numită bus. Fizic, el reprezintă un grup de 8, 16, sau mai multe fire. Sunt două tipuri de bus-uri: bus de adresă și bus de date.

Primul constă din atâtea linii cât este numrul de cifre binare (16 biți=16+1 fire, 1 fiind masa), iar celălalt este atât de lat cât sunt datele. Primul servește la transmiterea adreselor de la CPU la memorie, iar cel de al doilea la conectarea tuturor blocurilor din interiorul microcontrolerului.

Fig 2.17 Bus-ul[10]

4)Unitatea intrare-ieșire

Aceste locații ce tocmai le-am adugat sunt numite „porturi”. Sunt diferite tipuri de porturi: intrare, ieșire sau porturi pe două-căi. Când se lucreaz cu porturi, mai întâi de toate este necesar să se aleagă cu ce port urmează să se lucreze, și apoi să se trimit date la, sau să se ia date de la port.[10]

Fig 2.18 Unitaea de intrare-ieșire[10]

2.3Sisteme de acționare

Sistemul de acționare al unui robot cuprinde totalitatea surselor energetice ale robotului precum și elementele de control direct ale acestora. În acest sens, prin sistem de acționare se va înțelege ansamblul motoarelor și convertoarelor prin care se obține energia mecanică necesară deplasării robotului precum și dispozitivele suplimentare ce controlează acest transfer energetic.

Un astfel de sistem va cuprinde:

1) o sursă primară de energie;

2) un sistem de conversie al energiei primare în energie mecanică;

3) un sistem pentru transmisia energiei mecanice la articulația corespunzătoare;

4) un control al parametrilor caracteristici ale acestor sisteme.

Structura generală a unui sistem de acționare este prezentată în figura 2.18. Sistemele uzuale de acționare folosesc trei surse primare de energie: electrică, pneumatică sau hidraulică. Procentual, cel mai mare număr de sisteme de roboți industriali moderni utilizează acționarea hidraulică datorită unor caracteristici deosebite pe care aceste echipamente le oferă în ceea ce

privește raportul dintre forța exercitată la dispozitivul motor și greutatea acestuia. O arie largă o au deasemenea acționarile electrice, utilizate îndeosebi datorită facilităților de control pe care le pot asigura. Acționarea pneumatică ocupă o pondere redusă în această direcție , ea fiind de obicei utilizată în sistemele de comandă ale dispozitivelor auxililiare.

Fig. 2.18 Structura generală a unui sistem de acționare

2.4 Senzori

Introducere

Senzorul este un dispozitiv tehnic care reacționează calitativ sau cantitativ, la anumite proprietăți fizice sau chimice ale mediului din preajma lui.

Creșterea deosebită a automatizării sistemelor de producție necesită folosirea unor componente care să fie capabile să primească și să transmită informații referitoare la procesul de producție. Sensorii indelpinesc aceste funcții și importanța lor a crescut în ultimii ani în procesul de măsurare și de control al proceselor tehnologice.sensorul furnizează informațiile unui controler sub forma unor variabile de proces. Prin variabile de proces se ințeleg mărimi fizice care caracterizează procesul tehnologic respectiv: temperatură, presiune, forță, lungime, unghi de rotație, nivel, debit, etc.

Există sensori pentru majoritatea mărimilor fizice care reacționează la una din aceste mărimi și transmit semnale relevante.

Sensorii pot să transforme variația mărimilor fizice în semnale electrice binare sau analogice.

Sensorii care furnizează semnale binare sunt:

a) sensorii de temperatură;

b) de proximitate;

c) de presiune;

d) de nivel;

e) valve.

Sensorii analogici furnizează la ieșire semnale electrice analogice – tensiuni sau curenți.

Exemple de sensori analogici:

a) Sensori pentru lungime, distanță, de deplasare;

b) Sensori pentru mișcare lineară sau de rotație;

c) Sensori pentru suprafață, configurație, geometrie;

e) Sensori de forță;

f) Sensori de greutate;

g) Sensori de presiune;

h) Sensori de cuplu;

i) Sensori de debit;

j) Sensori de nivel;

k) Sensori de temperatură;

l) Sensori optici;

m) Sensori acustici;

n) Sensori de radiație;

o) Sensori pentru substanțe chimice.[4]

Senzori de proximitate

Noțiunea de proximitate se referă la gradul de apropiere dintre două corpuri; în instalațiile tehnice se întîlnesc cazuri în care contrtolul poziției unui dispozitiv față de altul face parte din însăși procesul tehnologic. Controlul poziției dintre dispozitivele aflate în mișcare , dintre care unul reprezintă sistemul de referință se face cu ajutorul senzorilor de preximitate .Acest control se face fără existența unui contact direct între corpurile aflate în mișcare.

Definiție: senzorii de proximitate sunt dispozitive care permit detectarea și semnalizarea prezenței unor obiecte în cîmpul lor de acțiune fără contact fizic cu obiectele respective Senzorii de proximitate au o caracteristică tip releu – tot sau nimic – adică semnalul de ieșire reprezintă prezența sau absența obiectului controlat.

Senzorii deproximitate au o largă utilizare în toate domeniile industriale datorită avantajelor pe care le oferă:

a)siguranță în funcționare,

b)posibilitate de reglaj (internă sau externă prin modificarea poziției),

c)Fiabilitate mare,

d)Gabarit extrem de redus

e)Consum energetic redus

Clasificarea senzorilor de proximitate se face după principiul de funcționare:

a)Inductivi

b)Capacitivi

c)Magnetici

d)Optici

Senzori de proximitate capacitivi

Funcționarea unui sensor de proximitate capacitiv se bazează pe măsurarea variației capacității electrice a unui condensator dintr-un circuit rezonant RC datorită apropierii unui material oarecare.

Senzorii capacitivi se realizează din două tipuri de condensatoare: plan și cilindric iar în analiza schemelor echivalente se presupune că rezistența de pierderi este neglijabilă față de reactanța capacitivă și unghiul de pierderi este mic.

Pentru un condensator cilindric formula de calcul a capacității depinde de permitivitatea dielectricului, diametrul electrodului exterior D, diametrul electrodului interior d și de înălțimea de suprapunere a celor doi cilindri, h

Capacitatea C= (2.14)

Din analiza formulelor de calcul pentru capacitatea condensatoarelor plan

și cilindric se observă că senzorii capacitivi pot servi la convertirea în variații de capacitate a oricărei mărimi neelectrice care modifică unul din elemente: distanța dintre armături, suprafața de suprapunere a armăturilor, permitivitatea mediului dintre armături.

Senzorii capacitivi se pot realiza în trei moduri:

a)cu condensatoare plane cu o armătură fixă și una mobilă,

b)cu modificarea suprafeței de suprapunere a armăturilor

c)cu modificarea dielectricului.

Câmpul electrostatic parazit este creat între un electrod activ și electrodul de masă. În structura sensorului capacitiv există adesea un electrod de compensare care are rolul de compensare a influenței umidității asupra funcționării sensorului. Dacă în zona activă se imtroduce un obiect lemn), capacitatea circuitului rezonant se modifică.

Schimbarea valorii capacității depinde distanța la care se află materialul față de suprafața activă, de dimensiunile materialului,și de constanta dielectrică a acestuia.

Sensibilitatea majorității senzorilor de proximitae capacitivi poate fi reglată prin intermediul unui potențiometru. În acest mod este posibilă suprimarea detecției unui alt mediu.de exemplu este posibilă determianrea nivelului unei soluții într-un recipient.

Senzori de proximitate inductivi

Funcționarea se bazează pe proprietatea potrivit căreia mărimea de măsurat produce o variație a inductivității unei bobine care face parte din circuitul oscilant RL al senzorului. Inductivitatea proprie sau mutuală a zonei active a senzorului este modificată de acele elemente care influențează geometria, lungimea întrefierului, aria secțiunii întrefierului sau permeabilitatea – μ a circuitului magnetic.

Inductivitatea unei bobine alcătuită din N spire dispuse pe un miez magnetic de permeabilitate relativă μr ,suprafața secțiunii transversale A și lungimea l este dată de relația:

L= (2.15)

Cum numărul de spire al bobinei senzorului odată realizată nu poate fi modificat, soluția pentu realizarea senzorului cu variație a inductivității este de a produce modificări ale reluctanței magnetice.

În acest sens se realizează circuite magnetice cu armătura mobilă în care caz mărimea neelectrică determină poziția armăturii față de restul circuitului magnetic.

Principala caracteristică a senzorilor inductivi este dimensiunea bobinei: cu cât aceasta este mai mare cu atât distanța de comutare este mai mare. Traductoarele inductive pot pune în evidență deplasări de sute de milimetri.

Pentru determinarea corectă a distanței de comutare, în alcătuirea senzorilor de proximitate inductivi există un electrod de calibrare, realizat din oțel moale de 1mm grosime, standardi- zat

Senzori de proximitate optici

Senzorii optici de proximitate folosesc dispozitive optice și electronice pentru detecția obiectelor. În acest scop este folosită lumina roșie sau infraroșie. Ca surse de lumină roșie sau infraroșie sunt folosite LED-urile. Acestea au dimensiuni mici, au o durată de viață mare și pot fi ușor modulate. Fotodiodele și fototranzistoarele pot fi folosite ca receptori. Folosirea senzorilor optici cu lumină roșie are avantajul că aceasta se află în spectrul vizibil. Cablurile realizate din fibre optice pot fi de asemenea folosite în zona lungimii d eundă a luminii roșii datorită atenuării reduse a luminii.

Spectrul infraroșu care nu este vizibil este folosit în cazurile în care creșterea performanțelor luminii roșii este necesară. În afară de aceasta, lumina infraroșie este mai puțin susceptibilă la la interferențe cu lumina ambientală.

Cu ambele tipuri de senzori optici , presiunea adițională cauzată de influența luminii externe este realizată prin intermediul modulării semnalului optic.

Principiul de funcționare se bazează pe prelucrarea unui semnal electric care apare ca urmare a intreruperii sau reflectării unui flux luminos produs de un dispozitiv electroluminiscent de către un element de comutație.

Avantajele senzorilor cu fascicol luminos:

a)pot fi detectate obiecte mici la mare distanță;

b)sunt indicate pentru medii periculoase;

c)obiectele pot fi translucide, șlefuite.

Dezavantajele senzorilor cu fascicol luminos:

a)cele două module separate emitorul și receptorul, necesită conexiuni electrice separate.

b)nu pot fi folosite pentru obiecte complet transparente. În cazul obiectelor complet transparente este posibilă reducerea puterii emitorului cu ajutorul unui potențiometru până la limita la care receptorul este dezactivat..Starea emitorului este evaluată ca “obiect prezent” .

Senzori de proximitate magnetici

Senzorii de proximitate magnetici reacționează la câmpuri magnetice ale magneților permanenți sau ale electromagneților.

În cazul unor senzori magnetici reed paleta cu contacte realizată din material feromagnetic permalloy (fier +nichel) este sigilată într-un tub de sticlă.

Acest tub este plin cu un gaz inert nitrogen. Dacă în apropierea senzorului de proximitate se află un câmp magnetic, paletele sunt atrase și se realizează un contact electric.

Senzorii de magnetici reed au în construcție un LED care indică starea de operare. Sunt prezentate conexiunile interne și externe. Diodele electrolumoniscente conectate în serie cu rezistorul R, au rolul de circuit de protecție pentru sarcina.

Capitolul 3

Echipamentul și mediul de programare

3.1 LabView

LabVIEW este un limbaj grafic de programare care permite dezvoltarea de aplicații utilizând pictograme. Spre deosebire de limbajele de programare textuale, în cadrul cărora instrucțiunile sunt cele care determină execuția programului, LabVIEW-ul folosește, în locul acestora, fluxul de date evidențiat printr-o prezentare grafică adecvată.

Pe de altă parte, în mod asemănător cu celelalte limbaje de programare, LabVIEW-ul conține biblioteci extinse de funcții și subrutine care pot fi utilizate în numeroase aplicații, precum achiziția, prelucrarea, analiza, prezentarea și stocarea datelor. Cu ajutorul unor echipamente de achiziție de semnale de la diverse tipuri de traductoare, LabVIEW-ul permite utilizarea performantă a calculatorului pentru măsurarea diverselor mărimi fizice, precum și controlul anumitor procese.

Numele utilitarului provine din faptul că National Instruments, corporația care a introdus programele LabVIEW, a denumit generic aplicațiile Instrumente Virtuale, prescurtat VI (din limba engleză Virtual Instruments). LabVIEW-ul a avut în vedere, în primele sale versiuni, realizarea de programe care să substituie prin intermediul calculatorului o serie de instrumente și aparate electronice, adesea imitând imaginile și modurile de operare ale acestora. De altfel, LabVIEW reprezintă prescurtarea denumirii din limba engleză Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench.

În LabVIEW un VI este constituit cu ajutorul următoarelor trei componente:

a) Panoul frontal, care servește ca interfață cu utilizatorul;

b) Diagrama bloc, care conține sub formă grafică codurile sursă care realizează funcționarea VI- ului;

c) Pictograma (icon) și panoul conector, prin intermediul cărora este identificat VI-ul și se asigură posibilitatea ierahizării, adică a interconectării în cadrul altui VI, constituind un subVI (asemănător cu o subrutină).

LabVIEW dispune de numeroase instrumente care asigură o configurare ușoară a unui anumit tip de VI. De asemenea, include sute de exemple de VI-uri corespunzătoare unor variate domenii de aplicații, pe care utilizatorul poate să le folosească ca atare și să le încorporeze în VI-uri de mai mare complexitate potrivit scopului urmărit, sau le poate modifica pentru a le adapta particularităților aplicației.

Panoul frontal

Panoul frontal este interfața cu utilizatorul al VI-uluia. Puteți construi un panou frontal folosind comenzile și indicatoarele, care sunt terminalele interactive de intrare și de ieșire ale VI-ului, respective. Controalele sunt butoane rotunde, butoane de apăsat, cadrane, și alte mecanisme de intrare. Indicatorii sunt grafice, LED-uri, și alte dispozitive de afișare de ieșire. Controale simulează mecanismele de intrare ale instrumentului și datele de aprovizionare la schema bloc a VI-ului. Indicatorii simulează mecanismele de ieșire ale instrumentului și a informațiilor de afișare din schema bloc, achiziționează sau generează.

Diagramă bloc

După ce s-a construit panoul frontal, s-a adăugat codul folosind reprezentări grafice de funcții pentru a controla obiectele de pe panoul frontal. Diagramă bloc conține acest cod sursă grafică, de asemenea, cunoscută sub numele de cod G sau codul bloc diagramă.

Terminalele

Terminalele reprezintă tipurile de date de control sau indicator. Puteți configura controalele de pe panoul frontal sau indicatorii să apară ca pictograme sau date de tip terminale pe diagramă bloc. În mod implicit, obiectele panoului frontal apar ca terminale pictogramă. De exemplu, un terminal control numeric, prezentate după cum urmează, reprezintă un control numeric de pe panoul frontal.

Fig 3.1 Control numeric

Fig 3.2 Exemplu de panou frontal și diagramă bloc[17]

Nodurile

Nodurile sunt obiecte pe diagramă bloc care au întări și/sau ieșiri și efectuează operațiuni atunci când un VI se execută. Ele sunt similare la declarații, operatori, funcții și subrutine cu instrucțiunile din limbajul de programare bazate pe text.

Conexiuni prin fire

Datele se pot transfera între obiectele din diagramă bloc prin fire. Fiecare fir are o singură sursă de date, dar se pot conecta la mai multe funcții de VI și care citesc datele. Firele sunt de diferite culori, stiluri și grosimi, în funcție de tipurile de date. Un fir rupt apare ca o linie neagră întreruptă cu un X roșu în mijloc. Firele rupte apar pentru o varietate de motive, cum ar fi atunci când încercați să conectași două obiecte cu tipuri de date incompatibile.

Fig 3.3 Tipuri de fire

Structuri

Strutura „For Loop” este echivalentul instrucțiuni „for” din programare. Acestă structură este utilizată pentru a efectua un număr precis de iterații. Terminal  reprezintă numărul de iterații pe care le execută structura. Acesta este setat prin legarea cu un fir din exteriorul buclei. Terminal de iterație , conține iterația curentă la care se alfă structura și este întotdeauna inițializat de la zero.

Fig 3.4 Buclă For

Strutura „While Loop”, permite efecturea de iterații pană la indeplinirea unei condiții. Terminalul de condiție decide continurea sau oprirea buclei in funcție de indeplinirea unei condiții. Modificarea tipului de blucla („continue if true” or „stop if true”) se face prin efecturea unui clic dreaptea pe acest terminal. Alegerea acestei condiții trebuie facută cu grija pentru a evita crearea unei bucle infinite. La fel ca la bucla for, terminalul de iterație conține iterația curenta a structurii.

Fig 3.5 Buclă While

Structura de tip „Case”, permite executarea a diverse versiuni de cod in funcție de valoarea terminalului de selecție . În afara de tipul boolean (care este implicit), terminalul de selecție mai poate fi intreg, string sau orice tip enumerat. Datele legate la acest terminal din exteriorul structurii determină care dintre versiunile de cod continute în ferestrele structurii Case

vor fi executate. Selectorul structurii arată versiunea de cod asociata unei anumite valori de selecție.

Fig 3.6 Buclă Case

Modulul de robotica LabVIEW

În modulul de robotică sunt încorporate blocuri drag and drop disponibile pentru Starter Kit 2.0, aceste blocuri au funcții precum inițializarea robotului, scrierea/citirea valorilor pentru controlul motoarelor, scrierea/citirea valorilor senzorului ultrasonic. Se utilizează bucle pentru controlul în buclă închisă

.

Fig 3.7 Modulul Robotics

Fig 3.8 Modulul Robotics Starter Kit 2.0

3.2 FPGA

Generalitați

Un circuit FPGA (Field Programmable Gate Array) este alcătuit dintr-un număr mare de celule logice de bază numite blocuri logice configurabile (vezi figura 5.1), care sunt mai mici decât un circuit PLD obișnuit. Aceste celule logice sunt distribuite pe toată suprafața cipului. Fiecare celulă este înconjurată de interconexiuni programabile ansamblul acestor interconexiuni poartă numele de matrice de conexiuni programabile. Întreg ansamblul de celule și interconexiuni se află într-un inel format de blocurile de intrare / ieșire. Un bloc logic configurabil poate implementa mai puține funcții logice decât un circuit PLD, dar numărul acestor blocurilor logice configurabile dintr-un circuit FPGA este mai mare decât numărul de circuite PLD dintr-un circuit PLD raportat la aceeași dimensiune a pastilei de siliciu.[11]

Fig 3.9 Arhitectura generală a circuitelor FPGA[11]

Istoric

Industria FPGA a apărut odată cu memoriile PROM (programmable read only memory) și cu dispozitivele logice programabile (PLD). Atât PROM-urile cât și PLD-urile conțin opțiunea de a fi programate în fabrică sau la utilizator, deși porțile logice sunt interconectate prin intermediul unor conductoare dure. Întemeietorii Xilinx, Ross Freeman și Bernard Vonderschmitt au inventat primul FPGA, XC2064 comercial în 1985. Acest circuit XC2064

conținea porți programabile și interconexiuni progrmabile între porți, începutul unei noi tehnologii. XC2064 conținea doar 64 de blocuri logice configurabile(CLB), cu 3 tabele lookup de intrare (LUT).

La sfârșitul anilor 1980, Departamentul Naval de Razboi a oferit fonduri pentru un experiment propus de Steve Casselman pentru realizarea unui calculator care va implementa 600,000 de porți reprogramabile. 56

Anii 1990 au fost o perioadă explozivă pentru FPGA-uri. La început, FPGA-urile erau folosite în telecomunicații și în rețele. Până la sfârșitul perioadei, FPGA-urile și-au făcut intrarea în aplicațiile industriale, în industria de automobile și în vânzări.

În anul 1997, Adrian Thompson a îmbinat tehnologia algoritmilor genetici cu FPGA-urile pentru a crea un dispozitiv de recunoaștere a vocii. Algoritmul lui permitea unui vector de 64 x 64 celule într-un chip Xilinx FPGA să determine configurația necesară recunoașterii de voce.

O tendință recentă este aceea a înlocuirii structurii brute prin combinarea blocurilor logice și a interconexiunilor tradiționalului FPGA cu un microprocesor integrat și periferice pentru a forma un „sistem-on-chip” programabil. Acest lucru a fost reflectat de arhitectura realizată de Ron Perlof și Hana Potash de la Burroughs Advanced Systems Group care au combinat arhitectura unui CPU reconfigurabil pe un singur chip ce se numea SB24. Exemplul unui astfel de hibrid poate fi găsit în placuțele Xilinx Virtex-II PRO și Virtex-4, ce conțin unul sau mai multe procesoare PowerPC integrat în structura logică a FPGA-ului.

Majoritatea FPGA-urilor moderne au capacitatea de a fi reprogramate în timpul rulării. Procesorul virtual Mitrion este un examplu al procesorului soft reconfigurabil, implementat pe FPGA. Deși nu suportă reconfigurarea dinamică în timpul rulării, el se adaptează unui program specific. Din punct de vedere al numărului de porți logice, în anul 1987 Xilinx folosea 9,000 porți logice, în vreme ce cinci ani mai târziu, Departamentul Naval de Razboi folosea 600,000.

Arhitectura

Arhitectura FPGA conține un vector de blocuri logice configurabile, extensii I/O și canale de rutare. În general, toate canalele de rutare au aceeași lățime (număr de fire). Multiplele extensii I/O se pot monta în înălțimea unei linii sau lățimea unei coloane din vector.

Un circuit trebuie mapat pe un circuit FPGA folosind resursele adecvate. În timp ce numărul blocurilor logice și a I/O necesare sunt ușor de determinat din proiect, numărul de drumuri rutabile necesare poate varia considerabil chiar și între proiecte ce folosesc aceeași logică. De vreme ce rutele nefolosite cresc costul și scad performanța unei componente fără să ofere un alt beneficiu, producatorii de FPGA încearcă sa ofere rute necesare astfel încât majoritatea proiectelor să poată fi rutate în funcție de LUT (tabelele de lookup) și porturile de I/O.

Fig. 3.10 Structură bloc logic.[12]

Un bloc logic FPGA clasic conține o tabelă de lookup cu 4 intrări și un bistabil. În ultimii ani, producătorii trecut la realizarea unor tabele cu 6 intrări. Prezintă doar un output, care poate fi o tabelă de lookup înregistrată sau una neînregistrată. Blocul logic conține patru intrări pentru tabelă și o intrare pentru ceas. De vreme ce semnalele de ceas sunt rutate pe rețele de rutare dedicate în FPGA-urile comerciale, acesta și alte semnale sunt procesate separat.

Pentru cazul tabelei de lookup cu patru intrări fiecare intrare este accesibilă printr-o parte a blocului logic, în timp ce pinul de ieșire se poate conecta la firele de rutare atât prin canalul din dreapta cât și prin canalul situat sub blocul logic. Fiecare pin de ieșire al blocului logic se poate conecta la fiecare segment de sârmă din canalele adiacente. Similar, porturile de I/O se pot conecta la oricare dintre cenalele adiacente. În general, rutarea FPGA este nesegmentată. Acest lucru înseamnă că fiecare segment acoperă doar un bloc logic înainte de a ajunge într-un comutator. Prin aprinderea unor comutatoare programabile dintr-un bloc comutator se pot determina multe rute. Pentru o interconectare mai mare, câteva arhitecturi FPGA folosesc linii de rutare ce acoperă mai multe blocuri logice. Când se intersectează un canal vertical cu unul orizontal, acolo este un bloc comutator. În această arhitectură, când un fir intră într-un bloc comutator există trei comutatoare programabile care îi permit să se conecteze la alte trei fire din segmentele de canale adiacente. Șablonul sau topologia de comutatoare folosită în această arhitectură este plană. În această topologie, un fir de pe pista numărul unu se conectează numai la fire din canalul numărul unu ale segmentelor de canale adiacente.

Familiile moderne de FPGA-uri se extind dincolo de capacitatea de includere în silicon a unei funcționalități de nivel înalt. Prezența acestor funcții obișnuite incorporate în silicon reduce suprafața necesară și oferă funcțiilor o viteză crescută comparativ cu construirea lor din primitive. Exemple ale acestora sunt multiplicatorul, blocurile DSP generice, procesoarele incorporate, porturile logice I/O cu viteză mare și memoriile incorporate.

Tipuri de tehnologii

a) SRAM (Static Random Access Memory) – bazat pe o tehnologie statică. Este programabilă în sistem și reprogramabilă. Necesită dispozitive externe de bootare.

b) Antifuse – Programabilă o singură dată;

c) EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory technology) – programabilă în timpul producției din cauza plasticului ce îl acoperă. Dispozitivele glisante pot fi șterse folosind lumină ultravioleta (UV);

d) EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory technology) -poate fi ștearsă chiar dacă este acoperită cu plastic.O parte dintre aceste dispozitive EEPROM pot fi programate în sistem;

e) Flash (Flash-erase EPROM technology) – poate fi ștearsă.O parte dintre aceste dispozitive pot fi programabile în sistem. De obicei, o celulă Flash este mai mică decât echivalentul celulei EEPROM;

f) Fuse – Programabil o singură dată. Bipolar.

3.3 NI Robotics Starter Kit 2.0

Robotica a devenit unul dintre segmentele esențiale ale sistemelor de automatizare moderne. În zilele noastre roboții mobili autonomi sunt utilizați din ce în ce mai mult în diverse aplicații industriale și neindustriale. Mai mult, robotica este construită pe fundamente ca și caracterizarea traductoarelor, controul motoarelor, achiziționare de date, mecanica trenului de rulare, comunicare în rețea, recunoașterea formelor, cinematică, planificare traseului, etc.

Kitul robotic 2.0 de la National Instruments include o placă sbRIO-9632 , două roți propulsate de catre două motoare de curent continuu de 12 Volți și 152 de rotații pe minut, un servomotor de curent continuu care rotește senzorul ultrasonic,acumulatori și cadrul Pitsco Tetrix.

Componentele hardware ale kitului sunt prezentate în urmatoarea schema bloc:

Fig 3.11 Componentele Hardware ale Starter kitului[13]

Placa reconfigurabilă sbRIO-9632 de la National Instruments cuprinde un procesor in timp real, un modul FPGA (field programmable gate array) și un intrări/ieșiri analogice și digitale. Modulul FPGA analizează toate condițiile logice de intrare analogice și digitale, și oferă ieșiri. În funcție de ieșiri procesorul în timp real procesează datele și definește cinematica robotului.

Fig 3.12 Placa sbRIO-9632[14]

Senzorul ultrasonic integrat in starter kit achiziționează date despre obstacolele din fața lui prin tranzmiterea unui impuls scurt de ultrasunete (de obicei pentru 200μs cu 40kHz). Apoi senzorul se oprește din a tranzmite impulsul și așteaptă un semnal reflectat din eventualele obiecte aflate în față. Odată ce senzorul primește inapoi semnalul trimis el tranzmite un impuls procesorului.

Fig 3.13 Senzorul ultrasonic[13]

Pe baza semnalelor generate procesorul transmite un semnal PWM (modulația în durată a impulsurilor) catre motoarele robotului. Viteza motoarelor poate fi definită în termeni de rotați pe minut (RPM) sau radiani pe secundă.

Fig 3.14 Motor Starter kit

Capitlul 4

Realizarea programului

Realizarea programului

Pentru realizarea pratică a acestei lucrări, de control în timp real a robotului utilizând dispozitive mobile inteligente s-a ultilizat starter kitul oferit de către Național Instruments, un laptop cu bluetooth încorporat și un telefon mobil inteligent cu capabilități bluetooth și sistem de operare android.

Fig 4.1 Starter kit 2.0

Această lucrare are ca și scop dezvoltarea unui program pentru controlul vehiculelor sau a roboților de la distanță în timp real și evitarea obiectelor care apar pe parcursul deplasării sale. Programul a fost realizat în mediul de programare LabView 2014. Calculatorul pe care rulează programul creat este conectat prin bluetooth la un dispozitiv mobil inteligent printr-o aplicație gratuită disponibilă în Google Play Store numită AndroView iar comunicarea cu robotul este realizează prin conectarea lui la calculator printr-un cablu de rețea.

Fig 4.2 Interfața aplicației AndroView

Aplicația AndroView oferă o varietate de date despre dispozitivul pe care este instalată, de la coordonatele accelerometrului,giroscopul,orientării dispozitivului până la câmpul magnetic aflat în jurul telefonului sau indicele luminos aflat în apropierea lui dacă dispozitivul are în componența sa acești senzori.

Fig4.3 Interfața pentru senzorul de lumină din aplicația AndroView

Pornind programul Labview prima fereastră care apare este cea de selectare a mediului, de unde avem posibilitatea de a selecta în ce fel de mediu dorim să lucrăm. Pentru mediul Labview clasic se selectează prima variantă și anume Labview, mai departe o să apară diferite medii în funcție de ce module, extensii sau pachete sunt instalate, de exemplu Labview Robotics.

Fig 4.4 Selectare mediu de lucru

Următoarea fereastră dacă se selectează mediul de lucru Labview este fereastra de pornire, în această fereastră se poate crea un proiect nou dar de asemenea se poate deschide un proiect nou pe un anumit tamplate (șablon) existent deja în librăriile labview, sau putem deschide proiectele recent utilizate.

Fig 4.5 Fereastra de pornire

După finalizarea selectării mediului si creării unui nou proiect se deschide panoul frontal și diagrama bloc a proiectului unde se realizează programul propriu-zis.

Fig 4.6 Interfața de programare a programului

Pentru început s-a introdus în program blocul, VI-ul pentru a inițializa starter kitul conectat la adresa de IP a robotului și blocul pentru a genera un steering frame care va fi folosit ulterior pentru direcția de mers a robotului, restul programului ce conține partea de execuție se va afla într-o buclă while de timp deoarece acestea necesită o repetare infinită până când intervine utilizatorul pentru a opri programul sau în cadrul unei erori. În exteriorul buclei se va afla doar părțile de inițializare. La inițializarea kitului se începe o comunicare cu FPGA-ul și se crează o referință care poate fi citită sau modificată ulterior.

Fig 4.7 Inițializare Starter kit

La finalul programului în exteriorul buclei while se adaugă un bloc pentru închiderea kitului, de asemenea de la inițializare și până la închiderea kitului se crează un șir de date care parcurge toate blocurile ce aparțin segmentului de robotică pentru starter kit, șirul conține eventuale erorii care pot să apară pe parcursul programului, și oprește programul la apariția unei erori.

Fig 4.8 Închidere Starter kit

Tot la începutul programului a fost introdusă și partea de conectare a modulului bluetooth cu aplicația de pe dispozitiv în afara bucle while. Blocurile pentru inițializarea dispozitivului android și blocul de citire a datelor accelerometrului au fost preluat de pe saitul personal al creatorului acestei aplicații pentru dispozitive mobile, pentru a realiza transferul de date între dispozitiv și program.

Fig 4.9 Structură de conectare la aplicație

Tot pe partea de bluetooth după inițializarea modulului are loc citirea numărului de bytes din rețeaua bluetooth și returnarea rezultatelor într-un șir de date.

Fig 4.10 Blocul pentru citirea datelor din bluetooth

În continuare este afișata partea din program pentru pornirea servomotorului care rotește senzorul cu ultrasunete montat în fața robotului și inceperea scanarii .

Fig 4.11 Inițializarea servomotorului pentru rotire

În blocul de start au fost introduse valorile minime, maxime ale unghiului de rotație și valoarea inițială. Deoarece datele de intrare trebuie să fie în radiani pe secundă s-au folosit blocuri care transformă unghiurile din grade în radiani.

În figura 4.12 sunt blocurile care scriu si citesc datele senzorului ultrasonic.

Fig 4.12 Blocurile de scriere și citire a senzorului ultrasonic

Pentru afișarea grafică a datelor scanate de senzor s-au folosit după blocul de update din figura anterioare 4.12 un bloc pentru unghiului de scanare, un unbundle by name pentru a despărți șirul de date în distanță și unghi, mai departe aceste șiruri au fost transformate din componente complexe polare în componente carteziene iar pentru realizarea graficului a mai fost nevoie de introducerea a două index array și un bundle.

Fig 4.13 Structura pentru afișarea graficului din datele senzorului

În figura de mai jos 4.14 este prezentată o captura de imagine din panoul frontal cu graficul realizat de program în timpul funcționarii acestuia.

Fig 4.14 Graficul afișat de senzorul ultrasonic

Prin transformarea datelor citite din blocul prezentat în Fig 4.10, VI-ul Date accelerometru are 3 date de ieșire: valorile citite de accelerometru din dispozitiv pe cele 3 axe X,Y,Z. Deoarece robotul se deplasează doar pe 2 axe s-a renunțat la datele provenite de pe axa Z.

Fig 4.15 Prelucrarea datelor de la accelerometru

Pentru o mai buna comandă și o acționare in parametri nominali ai robotului s-au folosit o serie de operații matematice, după care s-au inserat blocurile pentru afișarea datelor pe axele X și Y. Pe axa X este reprezentat unghiul de acționare a robotului în radiani cuprins între -2 și 2 cu care acesta urmează să vireze, iar axa Y ne indică viteza de deplasare a robotului cuprinsă intre -0.5 și 0.5.

Fig 4.16 Afișajul din panoul frontal pentru datele accelerometrului

În etapa următoare s-a implementat structura de evitare a obiectelor detectate de senzor apărute pe parcursul deplasării robotului. Robotul este programat să întrerupă comenzile accelerometrului în cazul în care se detectează un obiect la o distanța mai mică de 0.2 metri și să efectueze o manevră de rotire pentru a-și schimba direcția de mers și implicit de evitat obiectul.

Pentru realizarea acestei manevre a trebuit folosită o structură case care să separe cazul de funcționare normală și cazul de evitare a obiectului. Condiția inițială de intrare în bucla case este distanța minimă impusă de evitare a obstacolelor (0.2 metri).

Fig 4.17 Structura case pe ramura false

Dacă obiectul este mai departe de 0.2 metri programul continuă pe partea de False (fig 4.17) a buclei case, unde s-au introdus linii de cod pentru a rezolva neconcordanțele între înclinarea dispozitivului și direcția de deplasare a robotului, iar în cazul detectării unui obiect la mai puțin de limita impusă programul continuu pe ramura True (fig 4.18) unde se execută manevra de evitare.

Fig 4.18 Structura case pe ramura true

După parcurgerea condiției de evitare a obstacolelor programul continuă calcularea traiectoriei de deplasare și comandarea motoarelor electrice a robotului. În figură 4.18 la ieșirea din buclă semnalele de pe ambele axe se combină într-un bundle array care îmbina două sau mai multe șiruri de elemente pentru a deservi steering frame-ului care urmează a calcula traiectoria și viteza de deplasare a robotului din datele oferite.

Traiectoria și viteza se calculează în primul steering frame din figura 4.19, urmând să ajungă într-un index array care desparte semnalul în două pentru a putea fi citit de către următorul bloc de acționare a motoarelor. Mai departe procesul se repetă în sens invers, blocul citește deplasarea motoarelor și le transmite mai departe într-un build array unde se unesc semnalele deoarece avem nevoie de a calcula traiectoria și viteza motoarelor pentru a deservi mai departe graficului poziției robotului în figură de mai jos.

Fig 4.19 Structura pentru calcularea traiectoriei și acționarea motoarelor

Afișarea poziției robotului pe un grafic în coordonate X,Y s-a realizat cu structura din figura 4.20. În blocul de calculare a poziției se introduc datele de ieșire de la blocul de obținere a traiectoriei si vitezei motoarelor din figura 4.19 și timpul d(t) introdus la începutul programului în bucla while.

Fig 4.20 Structura pentru afișarea pozitiei robotului

Fig 4.21 Graficul poziției robotului în poziție inițiala

Pe acest grafic axele X și Y reprezintă distanețele în metri pe care se deplasează iar în mijloc se afla poziția initială, aceasta urmând să se modifice în funcție de direcția de deplasare a robotului.

Fig 4.22 Graficul poziției robotului după deplasare

Poziția afișată în grafic este calculată în blocurile de estimare a poziției în funție de viteza de deplasare și direcția acestuia.

Fig 4.23 Interfața grafica a programului

În figura 4.24 se află digrama bloc care se găsește în spatele interfeței grafice a programului cu toate terminalele conectate.

Fig 4.24 Diagrama bloc a interfeței grafice

Inițializarea programului și capturi de imagini în timpul funcționării

Primul pas pentru începerea procesului de control a robotului este asigurarea conectării robotului la calculator prin cablul de rețea și pornirea dispozitivelor bluetooth atât pe dispozitivul inteligent cât și pe calculator. După ce s-a realizat acest proces se recomandă deschiderea programului Measurement & Automation Explorer inclus în pachetul de LabView pentru verificarea conectării starter kitului și preluarea IP-ului generat de rețea în secțiunea Remote Systems și NI-sbRIO-9632-017EDBAD. Acest IP trebuie ulterior introdus în program la inițializare starter kitului, exemplu în figură 4.7.

Fig 4.25 Fereastra de Measuremet & Automation Explorer

După ce s-a asigurat conexiunea cu starter kitul se deschide „Controlul sistemelor în timp real cu ajutorul dispozitivelor mobile inteligente” prin intermediul programului LabView și rularea acestuia prin apăsarea butonului de run.

Fig 4.26 Butonul de run program

În continuare se pornește aplicația AndroView pe telefonul mobil și se apasă butonul Connect din interfață. Pe fereastra nou apărut figura 4.27 se introduce Numele dispozitivului care este afișat în front panelul programului ca în exemplul din figura 4.28

Fig 4.27 Fereastra de conectare a aplicației

Fig 4.28 Numele dispozitivului

Prin urmarea pașilor anterior robotul este gata de funcționare, în continuare sunt prezentate capturi ale panoului frontal din timpul controluli.

Fig 4.29 Panoul frontal cu date experimentale

Fig 4.30 Panoul frontal cu date experimentale

Fig 4.31 Panoul frontal cu date experimentale

Fig 4.32 Panoul frontal cu date experimentale

Concluzii

Acest proiect prezintă controlul sistemelor în timp real prin conectarea acestora la dispozitive mobile inteligente. Roboții, vehiculele autonome (inteligente) sau vehiculele comandate de la distanță sunt într-o dezvoltare continuă și au o aplicabilitate foarte mare în secolul XXI. În acest scop am ales și tema acestui proiect, de a implementa comanda unui robot printr-un dispozitiv inteligent (smarthphone) aproape indispensabil societății din zilele noastre.

Automatele programabile, microcontrolerele , microprocesoarele și senzorii sunt viitorul. Dimensiunile reduse, funcționalitatea lor în aproape orice domeniu, fiabilități lor în timp, metodele de programare și programele cu care se lucrează creează un mediu optim de dezvoltare și eficientizare a proceselor tehnologice, respectiv diferitelor aplicațiilor. Tendințele actuale de automatizare favorizează crearea a diverse dispozitive inteligente folositoare omului.

Pentru acest proiect s-a creat un program în mediul de programare Labview pentru a controla robotul oferit de către Național Instrumets Starter Kit 2.0 de la distanță printr-un dispozitiv mobil conectat prin bluetooth la calculator. Controlul se face prin implementarea datelor oferite de către accelerometrul telefonului în program și realizarea mișcării acestui printr-o serie de calcule matematice în interiorul unor blocuri pentru creare frame-urilor de deplasare. De asemenea robotul are în componența sa și un senzor ultrasonic. Cu ajutorul senzorului se detecteze eventuale obstacole și prin crearea unor algoritm în program s-a realizat evitarea lor și afișează într-un grafic distanțele pană la obiect. La finalul proiectului s-a realizat un grafic construit pe baza vitezei și unghiul de deplasare a robotului care indică poziția în timp real a robotului.

Utilizarea programului Labview a dus la o implementare ușoară a programului de control, programare grafică fiind cea mai modernă metodă de programare.

Prin realizarea proiectului am reușit să înțeleg multe lucruri despre programarea, utilizarea și controlul roboților și cât de importanți sunt ei, folosirea programului Labview, înțelegerea funcționarii starter kitului și a componentelor aferente acestuia.

Perspective pentru îmbunătățirea proiectului:

– Controlul robotului printr-o conexiune wireless deoarece permite acționare lui pe o rază mult mai mare;

– Dezvoltarea robotului prin adăugarea de senzori suplimentari;

– Eficientizarea programului sau adăugarea de noi structuri.

Bibliografie

Lucrări monografice:

[1]BĂLĂ, C., Mașini electrice, Editura didactică și pedagogică, București, 1979.

[2]Biro K.A., Viorel I.A., Syabo L., Henneberger G. Mașini electrice speciale , Editura MEDIAMIRA, Cluj-Napoca, 2005.

[3] Vasile N., Slaiher S.: Servomotoare electrice – teorie, calcul, aplicații, Ed. Electra, București, 2002.

[4] Dolga, V., Senzori și traductoare, Editura Eurobit, ISBN 973-99-227-9-1, Timișoara, 1999

Surse bibliografice Web:

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_robots

[6] http://users.utcluj.ro/~szabol/Materiale_didactice/MasiniSpeciale.htm Cursul01

[7] http://www.rasfoiesc.com/inginerie/electronica/Masina-de-inductie-Prezentare-89.php

[8] http://www.emie.ugal.ro/doc/me/Capitolul%204.pdf

[9]http://vignette3.wikia.nocookie.net/math/images/5/50/Motor_de_curent_continuu.png/revision/latest?cb=20120127153839&path-prefix=ro

[10]http://retele.elth.ucv.ro/Bratu%20Cristian/MAP/001%20-%20Curs%20001%20-%20MAP%20-%20Microcontrolerul.pdf

[11] http://ece.ubm.ro/clp/index_files/Curs_6_7.pdf

[12] https://ro.wikipedia.org/wiki/FPGA

[13] http://www.ni.com/datasheet/pdf/en/ds-217

[14] http://www.ni.com/pdf/products/us/cat_sbRIO_96xx.pdf

[15]http://www.scrigroup.com/tehnologie/electronica-electricitate/MASINA-SINCRONA-Elemente-const45677.php

[16] http://www.creeaza.com/referate/informatica/catia/Generalitati-despre-actionaril472.php

[17]http://cnx.org/contents/aeec99e1-5caf-4ca2-a245-67f8c457056d@5/Lab_1:_Introduction_to_LabVIEW

[18] http://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/vehicles/electric-car-battery1.htm

[19] http://www.extremenxt.com/walter.htm

[20] https://en.wikipedia.org/wiki/ASIMO