DOMENIUL: MECATRONICĂ ȘI ROBOTICĂ PROGRAMUL DE STUDIU:ROBOTICĂ FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: ZI CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC Prep. Ing. Moldovan Ovidiu ABSOLVENT… [306586]

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIALĂ ȘI

TEHNOLOGICĂ

DOMENIUL: MECATRONICĂ ȘI ROBOTICĂ

PROGRAMUL DE STUDIU:ROBOTICĂ

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: ZI

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC

Prep. Ing. Moldovan Ovidiu

ABSOLVENT: [anonimizat]: MECATRONICĂ ȘI ROBOTICĂ

PROGRAMUL DE STUDIU:ROBOTICĂ

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: ZI

PROIECTAREA UNUI ROBOT MOBIL DE TIP LINE FOLLOWER

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC

Prep. Ing. Moldovan Ovidiu

ABSOLVENT: [anonimizat]…………../……………

DECLARAȚIE DE AUTENTICITATE A

LUCRĂRII DE FINALIZARE A STUDIILOR

(Proiect de diplomă)

Titlul lucrării

Proiectarea unui robot mobil de tip line follower

Autorul lucrării

Kalnoki Adam

Lucrarea de finalizare a [anonimizat] a anului universitar 2013-2014.

[anonimizat][anonimizat], declar pe proprie răspundere că această lucrare a [anonimizat] o parte a lucrării nu conține aplicații sau studii de caz publicate de alți autori.

Declar, [anonimizat], tabele, grafice, hărți sau alte surse folosite fără respectarea legii române și a convențiilor internaționale privind drepturile de autor.

Oradea,

Data 03.07.2014

Semnătura

_____________

Rezumat

Robotul de tip line follower este un echipament mobil care poate detecta si urmări o linie prestabilita (se recomanda a fi o linie neagra vizibila pe o suprafața alba), fiind capabil sa își corecteze in timp real mișcările greșite folosind un mecanism de feedback simplu dar totodată foarte eficient.

[anonimizat]. Este un sistem compus din mai multe elemente: [anonimizat], senzori, elemente de execuție si eventual un mecanism de direcționare.

Partea mecanică ajuta la stabilirea înfățișării robotului si a mișcărilor posibile pe timpul său de funcționare însă pentru ca robotul să poată interacționa cu mediul înconjurător are nevoie si de alte elemente de sesizare precum senzori si căutători. Pentru a [anonimizat].

La prima vedere poate părea ca robotul menționat anterior este o simplă mașinărie care urmărește o linie si evită obstacole; totuși el poate fi folosit in diverse situații prin care să contribuie la îmbunătățirea calității vieții. [anonimizat], la sudarea rezervoarelor cilindrice si sferice de mare dimensiuni. [anonimizat].

[anonimizat] o colecție de sisteme cu rolul de a îndeplini o [anonimizat], respectiv: [anonimizat], sesizare etc. [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]a. La rândul lor subsistemele pot fi si ele divizate si pot avea subsisteme.

Un prim pas in dezvoltarea robotului autonom capabil sa urmărească o linie neagră pe fond alb cu sau fără întreruperi si să ocolească obstacolele este proiectarea corectă .

Cel de-al doilea pas in dezvoltarea robotului a constat in alegerea componentelor necesare construirii efective al acestuia. A fost folosit ca unitate de comanda o placa de dezvoltare Arduino capabilă să culeagă datele de la senzorii de linie, cât și cel de distanta folosit la obstacole si să decidă când trebuie să urmărească linia continuă sau cu întreruperi si când să ocolească obstacolul părăsind astfel pentru scurt timp linia si revenind la aceasta. Linia va fi detectată de robot cu ajutorul unor senzori optici capabili să distingă diferența intre alb si negru iar pentru ocolirea obstacolului se va folosi un senzor infraroșu de distanță.

Pentru dezvoltarea proiectului de line follower a fost ales senzorul QTR care este un senzor infraroșu, mai exact un circuit electronic care detectează intensitatea luminii reflectate. Acesta constă dintr-o diodă infraroșu, care emite lumina infraroșie si un fototranzistor, care detectează cantitatea de lumina infraroșie reflectata.

Pentru construirea robotului au fost folosite doua motoare de curent continuu, un circuit integrat pentru comanda motarelor si un servomecanism pentru reglarea direcției.

CAP1. NOTIUNI GENERALE PRIVIND ROBOTII MOBILI.

Sisteme mecatronice

Termenul “mecatronică” (MECAnică + elecTRONICĂ) a fost conceput în 1969 de un inginer al firmei japoneze Yaskawa Electric și protejat până în 1982 ca marcă a acestei firme. Se referea inițial la completarea structurilor mecanice din construcția aparatelor cu componente electronice. În prezent termenul definește o știință inginerească interdisciplinară, care, bazându-se pe îmbinarea armonioasă a elementelor din construcția de mașini, electrotehnică și informatică, își propune să îmbunătățească performanțele și funcționalitatea sistemelor tehnice. Cele mai sugestive reprezentări ale mecatronicii sunt reprezentate prin intersecția a trei sau mai multor cercuri. După modul în care sunt definite zonele de intersecție, există multe modele, unele fiind prezentate în figura 1.1 Conținutul celor 3 cercuri din figura 1.1,a sintetizează principiile pe baza cărora a fost conceput învățământul de mecatronică la Universitatea „Transilvania” din Brașov: Studiul mecatronicii, proiectarea și realizarea sistemelor mecatronice trebuie clădite pe cei trei piloni principali: mecanica, electronica, tehnica de calcul, fiecare cu subsistemele și subdomeniile lui principale, iar intersecția acestora conduce la sisteme și produse cu caracteristici remarcabile, superioare unei simple reuniuni a componentelor de diferite tipuri. Acest lucru impune înzestrarea specialistului în mecatronică cu cunoștințe temeinice din domeniul mecanicii, electronicii și tehnicii de calcul, dar și al sistemelor mecatronice, de cele mai diferite tipuri, și al principiilor și etapelor de proiectare și realizare a acestora.

Fig. 1.1 Diagrame pentru ilustrarea noțiunii de mecatronică: a) Conceptul Universității Stanford; b) Conceptul Universității Missouri-Rola; c) Conceptul Universității Purdue

Dezvoltarea mecatronicii și a produselor și tehnologiilor mecatronice reprezintă o etapă logică și concretă în evoluția științei și tehnologiei, iar revelația inginerului de la Yaskawa era inevitabilă, în condițiile în care electronica devenise o componentă care nu mai putea fi separată de sistemele mecanice.

Evoluția omenirii a fost însoțită de o dezvoltare lentă a uneltelor, dispozitivelor și sistemelor create și realizate de om, începând din paleolitic și până în secolul 18, când odată cu inventarea mașinii cu abur (James Watt – 1788), care a marcat începutul revoluției industriale, sistemele tehnice au cunoscut o evoluție rapidă. Mașina cu abur s-a constituit într-una dintre primele borne ale procesului de înlocuire a muncii fizice, prestate de oameni și animale, cu lucrul mecanic efectuat de mașini. Câteva repere importante de-a lungul acestui drum: 1775 – prima mașină orizontală de găurit și alezat țevile de tun (englezul John Wilkinson); 1784 – ciocanul mecanic cu abur; 1795 – presa cu transmisie hidraulică; 1797 – primul strung cu cărucior și păpușă mobilă, acționate de un ax elicoidal; vaporul cu aburi (începutul secolului 19); locomotiva cu aburi (mijlocul secolului 19).

Pe parcursul secolului al 19-lea apar și se dezvoltă motoarele cu ardere internă, ca rezultat al preocupării unor inventatori de geniu de a realiza mijloace de transport rutiere: 1807 – brevet pentru un motor cu un cilindru vertical, cu funcționare cu gaz și cu aprindere cu ajutorul unei scântei electrice; 1872 – invenția motorului cu benzină și supape laterale – motorul Otto; 1887 – motorul Daimler, cu ardere internă, cu doi cilindri în V, la care aprinderea combustibilului avea loc la fiecare rotație a arborelui (capacitatea cilindrică de 1,5 l; puterea de 7,5 CP);

Caracteristica esențială a sistemelor tehnice de până în jurul anilor 1900 este aceea că acestea erau pur mecanice. Mecanica „pură” a permis realizarea unor adevărate bijuterii tehnice, cum ar fi precursorul genial al calculatorului electronic, reprezentat de mașina de calcul a lui Charles Babbage, sau mașina de scris mecanică; s-au pus însă în evidentă și limitele acestor sisteme.

Germenii unei ere noi apar odată cu dezvoltarea motoarelor electrice – motorul de curent continuu în 1870 și cel de curent alternativ în 1889, care au permis, realizarea, la începutul secolului 20, a unor sisteme mecanice cu acționare electrică (pompe, mașini-unelte etc.). Electrotehnica a permis și saltul la realizarea unor sisteme mecanice cu control automat, bazate pe relee electrice, regulatoare PI, amplificatoare electrice, având ca exponenți avioanele, mașinile-unelte, turbinele cu aburi, automobilele

Bazele sistemelor mecatronice

Perioada de după cel de-al doilea război mondial este caracterizată prin realizare științifice și străpungeri tehnologice remarcabile: primul calculator electronic numeric în 1945, tranzistorul cu germaniu în 1948, cel cu siliciu în 1952, tiristorul în 1958, primul circuit integrat în 1959, laserul etc. În 1953 la Massachussets Institute of Technology (M.I.T.) s-a realizat și s-au făcut demonstrații cu o mașină de frezat cu comandă numerică. Ca început al mașinilor unelte cu comandă numerică poate fi considerată utilizarea benzii perforate în războiul de țesut automat (de către Jaquard) și în pianola mecanică cu program. Un rol important în perfecționarea acestor mașini l-a avut utilizarea calculatorului în locul benzii perforate, ajungându-se la comanda numerică, cu ajutorul calculatorului, a mașinilor unelte.

Si la noi in Oradea la Centrul de calcul s-au făcut experimente de comanda a mașinilor unelte cu calculatorul FELIX C80 care folosea procesorul Z-80.

La începutul anilor 1960 sunt realizați și primii roboți industriali. Fabricarea și utilizarea roboților a fost facilitată de rezolvarea anterioară a unor probleme tehnice, indispensabile pentru funcționarea roboților:

Problema manipulării pieselor la distanta, cu ajutorul mecanismelor articulate, denumite telemanipulatoare. Dezvoltarea telemanipulatoarelor a fost impusă de necesitatea manipulării materialelor radioactive, extrem de nocive pentru organismele vii, în procesul utilizării energiei nucleare. În 1947 a fost construit primul telemanipulator cu servo-acționare electrică, în care operatorul uman nu controla forța de prindere. În 1948 a fost introdusă legătura inversă (feed-back), realizându-se astfel telemanipulatorul cu „buclă închisă”. Fabricarea manipulatoarelor cu operator uman a implicat rezolvarea unor probleme esențiale pentru proiectarea și realizarea unui robot: modelarea cu ajutorul mecanismelor a mișcărilor brațului și antebrațului omului (mecanisme de poziționare); modelarea cu ajutorul mecanismelor a mișcărilor și a mișcărilor de orientare specifice încheieturii mâinii omului (mecanisme de orientare); modelarea mișcărilor degetelor mâinii, specifice operațiilor de prindere.

Problema automatizării mașinilor unelte prin intermediul comenzii numerice a permis stăpânirea comenzii incrementale a mișcărilor și a poziționării de mare precizie, prin dezvoltarea de servo-motoare, servo-comenzi și senzori de poziție/deplasare.

Problema automatizării calculelor și a controlului cu ajutorul calculatoarelor electronice

Clasificarea sistemelor mecatronice

O imagine asupra diversității și complexității domeniilor care sunt incluse în vasta noțiune de “Mecatronică” poate fi furnizată de tematica secțiunilor primei conferințe IFAC (International Conference of Automatic Control) de “Sisteme Mecatronice”, organizată între 18 și 20 septembrie 2000 la Darmstadt (Germania):

Secțiunea A – Sisteme mecatronice, incluzând vehicule mecatronice, motoare și mașini mecatronice, trenuri mecatronice și sisteme spațiale mecatronice;

Secțiunea B – Componente mecatronice, cu temele actuatori și dispozitive mecatronice și lagăre magnetice;

Secțiunea C – Roboți și mașini pășitoare, cuprinzând roboți mecatronici, sisteme robotice mobile, mașini pășitoare;

Secțiunea D – Proiectarea sistemelor mecatronice – a avut ca centre de greutate: modelarea și identificarea; instrumente software; simularea în timp real și hardware-in-the-loop;

Secțiunea E – Controlul automat al sistemelor mecatronice, s-a concentrat asupra metodelor de control, a controlului mișcării și vibrațiilor și a sistemelor mecatronice pentru detectarea și diagnosticarea erorilor.

Conceptul de sistem mecatronic

Un sistem mecatronic este un sistem tehnic care integrează, într-o configurație flexibilă, componente mecanice, electronice și de comandă cu sisteme numerice de calcul,

pentru generarea unui control inteligent al mișcărilor, în vederea obținerii unei multitudini de funcții. Diagrama bloc a unui sistem mecatronic este prezentată în fig. 1.2

Fig.1.2 Diagrama bloc a unui sistem mecatronic

Roboții sunt mașini electromecanice automate. Unii dintre roboți nu sunt complet automați dar sunt controlați de oameni prin telecomandă, utilizând camere video sau alte sisteme de control. Majoritatea roboților sunt utilizați în procesele de fabricație. Alții pot fi utilizați ca manipulatoare pe adâncul mării, telecomandate. O altă categorie de roboți pot fi utilizați în diverse laboratoare unde se lucrează cu substanțe radioactive sau există temperaturi ridicate sau alte locuri periculoase. Unii roboți sunt mobili, având sistem de locomoție încorporat, putându-se deplasa pe uscat, pe apă, în aer.

Controlul automat variază, din punct de vedere al complexității, de la simple relee până la metode computerizate foarte sofisticate.

Roboții mobili, în majoritatea situațiilor, sunt dotați cu camere video, senzori optici, senzori cu ultrasunete sau alți senzori de percepere a mediului în care activează. Controlul uman se realizează prin folosirea unor simple butoane până la joisticuri complicate cu putere de răspuns.

Sistemele de comandă includ module de comunicare bazate pe unde radio, sonore (acustice), echolocalizare (ghidare prin ecran), fibre optice sau cabluri. Mulți roboți sunt construiți prin înlănțuirea unor componente care imită segmentele brațului uman. Toate metodele sunt limitate de imposibilitatea de potrivire perfectă cu capacitatea de manevrabilitate a mâinii umane sub controlul ochiului și creierului uman. Ingineria roboților a fost foarte mult influențată de ficțiune, în sensul că are doza ei de utopie. Totuși, foarte mulți bani sunt în continuare cheltuiți pentru cercetarea în domeniul obținerii de ființe artificiale prin duplicarea mâinilor și propulsiei prin mers pășitor biped.

1.2 Roboți mobili

Robotul mobil este un sistem complex care poate efectua diferite activități într-o varietate de situații specifice lumii reale. El este o combinație de dispozitive echipate cu servomotoare și senzori (aflate sub controlul unui sistem ierarhic de calcul) ce operează într-un spațiu real, marcat de o serie de proprietăți fizice (de exemplu gravitația care influențează mișcarea tuturor roboților care funcționează pe pământ) și care trebuie să planifice mișcările astfel încât robotul să poată realiza o sarcină în funcție de starea inițială a sistemului și în funcție de informația, legată de mediul de lucru. Succesul în îndeplinirea acestor sarcini depinde atât de cunoștințele pe care robotul le are asupra configurației inițiale a spațiului de lucru, cât și de cele obținute pe parcursul evoluției sale. Problemele specifice ce apar la roboții mobili ar fi următoarele: evitarea impactului cu obiectele staționare sau în mișcare, determinarea poziției și orientării robotului pe teren, planificarea unei traiectorii optime de mișcare.În cazul unui sistem robotic automat distribuit pozițiile spațiale sunt de o extremă importanță și de ele depinde îndeplinirea scopurilor dorite și funcționarea întregului sistem. Cu alte cuvinte, robotul trebuie să fie capabil să-și planifice mișcările, să decidă automat ce mișcări să execute pentru a îndeplini o sarcină, în funcție de aranjamentul momentan al obiectelor din spațiul de lucru. Planificarea mișcărilor nu constă dintr-o problemă unică și bine determinată, ci dintr-un ansamblu de probleme dintre care unele sunt mai mult sau mai puțin variante ale celorlalte. Evitare coliziunii cu obstacole fixe sau mobile (de exemplu alți roboți mobili) aflați în spațiul de lucru al robotului se poate face prin mai multe metode: realizarea unei apărători mecanice care prin deformare oprește robotul, folosirea senzorilor care măsoară distanța până la obstacolele de pe direcția de deplasare, folosirea senzorilor de proximitate. Localizarea obiectelor se poate realiza și prin contact fizic, dar acesta impune restricții asupra vitezei de mișcare a structurii manipulate. Contactul fizic dintre robot și obiectele din mediu generează forțe de reacțiune care modifică starea robotului. Vitezele mari de lucru fac ca efectele dinamice ale unui contact fizic cu obstacole sau obiecte manipulate să fie riscante (pot duce la deteriorarea obiectelor sau a robotului). Navigarea robotului este posibilă și fără o determinare a poziției și orientării față de un sistem de coordonate fix, dar această informație este utilă pentru sisteme de comandă a mișcării. Dintre metodele de navigație mai des utilizate se pot menționa: măsurarea numărului de rotații făcute de roțile motoare, folosirea de acceleratoare și giroscoape, geamanduri electromagnetice instalate în teren, semnalizatoare pasive sau semipasive de tip optic sau magnetic.Folosirea informațiilor corelate de la mai multe tipuri de senzori.Clasificarea roboților mobili. Roboții mobili se clasifică astfel:

În funcție de dimensiuni:

macro, micro și nano-roboți.

În funcție de mediul în care acționează:

roboți tereștri – se deplasează pe sol,

roboți subacvatici – în apă,

roboți zburători – în aer, roboți

extratereștri – pe solul altor planete sau în spațiul cosmic;

În funcție de sistemul care le permite deplasarea în mediul în care acționează există de exemplu pentru deplasarea pe sol. Roboți pe roți sau șenile și roboți pășitori:

bipezi, patrupezi, hexapozi, miriapozi;

roboți târâtori: care imită mișcarea unui șarpe, care imită mișcarea unei râme etc.;roboți săritori, care imită deplasarea broaștelor, cangurilor etc.; roboți de formă sferică (se deplasează prin rostogolire) etc.

Fig 1.3a) Robot mobil târâtor

Fig1.3 b) Robot mobil pasator

Figura 1.3 c) robot mobil cu roți

1.3 Utilizări ale roboților mobili.

Utilizările pentru care au fost, sunt și vor fi concepuți roboții mobili sunt dintre cele mai diverse. Mulți roboți din zona micro si nano își găsesc utilizarea în medicină, fiind capabili să se deplaseze de-a lungul vaselor și tuburilor corpului omenesc, în scopul investigațiilor, intervențiilor chirurgicale, dozării și distribuirii de medicamente etc. La fel de spectaculoase sunt și multe utilizări ale macro-roboților:

În domeniul industrial, agricol, forestier: în domeniul industrial roboții mobili sunt reprezentați de AGV-uri (Automated-Guided Vehicles), vehicule pe roți, cu ghidare automată, care transportă și manipulează piese, constituind o alternativă flexibilă la benzile de montaj; în agricultură există tractoare și mașini agricole fără pilot, capabile să execute singure lucrările pe suprafețele pentru care au fost programate; în domeniul forestier roboții mobili pot escalada copacii înalți.

În domeniul militar: este luată în considerare de către armata americană perspectiva înlocuirii soldaților combatanți cu roboți, pentru a reduce riscul pierderilor umane în luptă; roboți mobili de cele mai ingenioase și robuste configurații sunt aruncați în clădiri și incinte din zone de conflict, în scopuri de investigare și chiar anihilare a inamicului.

În domeniul utilităților publice: una dintre cele mai utile și economice utilizări ale roboților mobili o reprezintă inspectarea conductelor de combustibili gazoși și lichizi și a țevilor de canalizare. De exemplu rețeaua de canalizare a Germaniei însumează 400.000 km, iar inspectarea și curățirea acesteia presupune costuri de 3-6 Euro pe metru. Numai 20% din conducte sunt accesibile, iar utilizarea roboților poate reduce costurile cu un sfert.

În domeniul distractiv și recreativ: sunt roboții-jucării, roboții pentru competiții

În domeniul serviciilor: există posibilități deosebit de largi de implementare. Sunt roboți pentru: deservirea bolnavilor în spitale; ajutorarea persoanelor bătrâne sau cu diferite handicapuri; ghidarea și informarea publicului în muzee, aspirarea și curățirea încăperilor; spălarea geamurilor și a pereților clădirilor;

În domeniul securității: multe operații de inspectare și dezamorsare a unor obiecte și bagaje suspecte sunt executate de roboții

În domeniul operațiilor de salvare: roboții salvatori (rescue robots) sunt utilizați în operațiile de salvare a victimelor unor calamități: cutremure, incendii, inundații, accidente nucleare.

Roboții mobili au următoarele caracteristici comune:

1. structura mecanică este un lanț cinematic serie sau paralel respectiv tip “master-slave”;

2. sistemul de acționare utilizat este electric pentru sarcini mici și medii și hidraulic pentru sarcini mari;

3. sistemul senzorial utilizează senzori interni (de turație, poziție și piezo-electric pentru efort) la nivelul articulațiilor, senzori externi (camere TV,senzori optoelectrice) pentru scanarea mediului și senzori de securitate (de proximitate, de prezență cu ultrasunete).

Cap.2 Strucura unui robot mobil

Structura roboților mobili (RM) corespunde arhitecturii generale a roboților, având două părți.Structura mecanică, respectiv manipulatorul, care determină performanțele tehnice și structura electronică, respectiv de comandă-control, care condiționează calitatea performanțelor. Indiferent de generația robotului, probleme complexe apar la realizarea structurii mecanice de volum, greutate și cost redus, la transmiterea mișcării și adaptarea la structura mecanică a motoarelor electrice și hidraulice, la proiectarea mâinilor mecanice pentru a apuca obiecte de diferite forme. Referitor la structura electronică, posibilitățile actuale permit folosirea a câte unui microprocesor pentru comanda fiecărui grad de mobilitate, precum și a altor microprocesoare specializate pentru tratarea semnalului senzorial. Robotul mobil interacționează cu mediul înconjurător prin structura sa mecanică, asigurând astfel deplasarea, poziționarea și orientarea organului de execuție.

Structura mecanică a roboților mobili este formată din: sistemul de locomoție (pe șenile sau roți), prin care se asigură deplasarea robotului pe o suprafață de lucru (în cadrul unei autonomii sporite); sistemul de manipulare, care asigură poziționarea și orientarea organului de lucru.

Funcția de locomoție cuprinde sistemul de acționare electric (de propulsie) și sistemul de sprijinire (suspensie).Modalitățile de propulsare sunt dintre cele mai diverse, cum ar fi:pe roți, cu jet de apă, cu aer etc;

Roboții mobili pot fii dotați cu cameră video sau alți senzori de percepere al mediului în care activează. Memoria robotului aflată in microcontroler înmagazinează cunoștințele necesare localizării tuturor segmentelor de traseu posibile.

• Locomoția viermelui de pământ este influențată de factori precum frecarea dintre module și suprafață, de tipul perilor artificiali dispuși pe module și posibilitatea lor de penetrare a suprafețelor și forțe inerțiale.

• Prototipul în starea de până acum are o deplasare neglijabilă fapt pentru care la realizarea mișcării au fost urmate două metode:

1. Fabricarea de piciorușe direcționale ce vor mima perii cheratinoși ai râmei, fapt ce duce la o avansare prin agățare a acestora de suprafață

2.Propulsarea micro-robotului pe o suprafață direcțională precum ar fi catifeaua.

2.1 Sistemul de locomoție

Funcția de locomoție cuprinde sistemul de sprijinire (suspensie) și sistemul de acționare electric (de propulsie).

În raport cu modul de realizare a funcției de locomoție a celulelor de roboți mobili deosebim următoarele categorii de roboți mobili:

roboți mobili pe roți (fig. 2.1);

roboți mobili pe șenile (fig. 2.2);

roboți mobili pășitori (fig. 2.3);

roboți mobili de târâre (funie activă)

roboți mobili hibrizi (cu roți și șenile, cu roți și picioare, etc);

orteze și proteze.

Fig 2.1 Robot pe roti

.

Fig. 2.2 Robot monoșenilă.

Fig 2.3 Robot tarator

Fig. 2.4a) Robot care imită omida.

Fig. 2.4 b) Robot care imită râma.

Acționarea roboților mobili necesită în general motoare electrice de putere mică, cu moment de inerție redus, cu capacitate de suprasarcină, precum și reductoare cu raport mare (k>100) și moment de inerție redus de tip armonic sau procesional. Pentru obținerea unor performanțe superioare se folosesc și unități integrate motor-reductor.

Din categoria motoarelor electrice clasice cu inerție redusă se pot utiliza:

motoare de curent continuu

motoare pas cu pas de 2,3,5… faze cu reluctanță variabilă; cu magnet permanent in rotor sau stator, solenoidal cu bobine pe stator sau hibrid cu magnet permanent si reluctanța variabila

motoare sincrone cu magneți permanenți.

Analiza performanțelor dinamice a acționărilor pe baza funcției de transfer presupune determinarea următorilor parametrii:

Precizia, care se determină cu ajutorul funcției de transfer prin calculul erorii staționare:

(1)

unde este mărimea de intrare.

Promptitudinea, care se calculează cu ajutorul locului de transfer considerând un compromis optim precizie-stabilitate pentru o margine de fază .

Stabilitatea, care se determină cu ajutorul locului de transfer.

Capacitatea de urmărire se poate aprecia cu ajutorul caracteristicii Bode.

Pentru ameliorarea performanțelor dinamice ale acționărilor în anumite domenii de frecvență se utilizează elemente de corecție serie sau paralel (de anticipare, întârziere sau mixte) având funcția de transfer:

(2)

Pentru obținerea performanțelor dinamice dorite se proiectează un regulator cu funcția de transfer astfel ca funcția de transfer a sistemului să fie: unde: este funcția de transfer a părții fixe.

Roboți mobili pe roți și șenile

Categoria cea mai răspândită de roboți mobili o constituie roboții pe roți și respectiv pe șenile. Acestea se caracterizează prin faptul că utilizează aceleași organe atât pentru sprijinirea cât și pentru propulsia pe o suprafață. Aceste două elemente realizează funcția de locomoție. Aceste tipuri de roboți pot fi cu direcția fixă sau orientabilă.În figura 2.5 sunt prezentate schematic funcțiile roboților mobili și modul de realizare al acestora.

(3)

Fig.2.5 Schema bloc de principiu privind funcțiile roboților mobili pe roți sau șenile.

Sistemul de locomoție pe 3 sau 4 roți este cel mai răspândit la construcția roboților mobili. Aceasta presupune (fig. 2.6) o structură mecanică circulară 1 pe care se dispune sarcina de manipulat 2. Structura circulară are avantajul că prezintă o axă geometrică identică cu axa de rotație a modulului, ceea ce simplifică comanda de rotație.

Susținerea platformei și deplasarea se face cu ajutorul a trei roți, din care două roți 3 sunt motoare iar roata 4 este condusă.

Pentru reducerea influenței neregularităților solului se realizează un sistem de suspensie cu arcuri 5, care permite oscilarea pe verticală a furcilor 6 care susțin roțile.

Dispunerea roților se face la periferia platformei, în vârfurile unui triunghi echilateral, ceea ce asigură stabilitatea deplasării.

Fig. 2.6 Robot mobil pe roți.

Sistemul de acționare al roților motoare presupune acționarea individuală a fiecărei roți de către un motor de curent continuu cu magneți permanenți 7 și reductor 8, cu raport de transmisie mare.

Se obține astfel un diferențial electric care favorizează creșterea mobilității robotului. Pe axul motorului se prevăd și traducătoare incrementale pentru aprecierea poziției și vitezei de deplasare.

Sistemul de ghidare este alcătuit din firul conductor 9, amplasat în pardoseală la și două bobine 10 rigidizate de placa 6, pentru menținerea echidistanței față de sol.

Diferența tensiunilor electromotoare induse în bobinele 10, plasate de o parte și de alta a axei de simetrie a roților motoare, determină alimentarea la tensiuni diferite a motoarelor de curent continuu realizându-se rularea roților cu viteze diferite și prin aceasta corectarea direcției după firul de ghidare.

Firul de ghidare este alimentat la o tensiune de 12 V.

Sistemul de alimentare cu energie electrică a motoarelor de acționare este format dintr-o baterie de acumulatoare litium polimer de 12V cc , plasată pe vehicul.

În cazul unor deplasări pe suprafețe limitate se poate realiza alimentarea cu energie electrică de la rețeaua industrială prin intermediul transformatorului 12 și redresorului 13.

Sistemul senzorial de percepție a mediului și localizare este format din senzori de proximitate 14, amplasați în sol.

Funcția de securitate se realizează cu senzorii binari 15, amplasați sub formă de centură în exteriorul platformei circulare.

Sistemul de comandă dirijează alegerea traseului, prevenirea coliziunii și executarea operațiilor din stații. Descentralizarea comenzii se realizează prin echiparea robotului de transport cu un sistem propriu de comandă cu microprocesor și utilizarea unui sistem de comandă central. Prin aceasta se reduce numărul elementelor active din pardoseală și crește fiabilitatea sistemului de comandă.

Echipamentul de comandă de pe vehicul permite ghidarea, accelerarea, frânarea și oprirea. Acest echipament permite coordonarea deplasărilor într-o zonă cu maximum 15 stații.

În cazul sistemelor cu mai multe vehicule se utilizează un bloc automat de tip feroviar pentru reglarea traficului la intersecții.

Sistemul de comandă central dă instrucțiuni sistemelor de comandă ale roboților mobili care determină drumul în funcție de semnalele elementelor din pardoseală. Pentru creșterea mobilității robotului se realizează un fel de tiraj prin utilizarea mai multor fire conductoare alimentate la frecvențe diferite. Alegerea traseului la joncțiunile dintre bucle se face cu ajutorul unui discriminator pentru frecvența dorită.

Atât în operații de asamblare cât și de încărcare-descărcare funcțiile robotului mobil și a stației pot fi următoarele:

stații pasive – vehicule active, ceea ce presupune că robotul mobil este prevăzut cu un dispozitiv de preluare a obiectelor de pe pardoseală și de depunere pe bandă;

stații active – vehicule active, ceea ce presupune că robotul este prevăzut cu un dispozitiv de preluare a obiectelor iar stația are un pat de role acționate.

Performanțele roboților mobili se referă la poziționare și repetabilitate.

Deoarece poziționarea este funcție de masa și de viteza robotului, în apropierea stațiilor se reduce viteza sub 10 m/min.

Pentru realizarea unei repetabilități acceptabile (sub 1mm) este necesară indexarea mecanică a vehiculului.

Schimbul de date dintre vehicul și stație permite sincronizarea operațiilor.

2.1.2 Transmisii mecanice

Mașina, creație tehnică a omului, este realizată dintr-un ansamblu de elemente mecanice componente (organe), înlănțuite cinematic, cu mișcări strict determinate.

Nici o mașină nu poate fi realizată fără cunoștințe temeinice despre organele sale componente.

Organele de mașini sunt piese (eventual ansambluri de piese), având rol funcțional utilitar. care intră în compunerea organică-structurală a oricăror mașini, agregate, mecanisme sau dispozitive. Având rol funcțional bine determinat. fiecare organ de mașină poate fi analizat. proiectat si executat separat, considerandu-1 însă independent ca solicitare și uzare cu celelalte organe cu care se asamblează.

Performanțele funcționale și tehnice ale oricărei mașini depind de doi factori, principali: concepția proiectantului care elaborează schema de principiu a viitoarei mașini și însușirile calitative ale fiecărui element structural component.

Primul factor poate fi asigurat printr-o temeinică pregătire teoretică și practice de specialitate a proiectantului. Al doilea factor demonstrează că performanța și siguranța în exploatarea mașinii, durabilitatea și fiabilitatea sa sunt hotărâte de calitatea fiecărui organ component. Pentru aceasta organele de mașini trebuie să satisfacă următoarele condiții de bază:

– să corespundă integral scopului funcțional pentru care se construiesc;

– să fie simple si să prezinte siguranță în exploatare, adică să reziste solicitărilor la care sunt supuse;

– să asigure durata de funcționare necesară in raport cu scopul, calitatea materialului și a tehnologiei de execuție.

Rezistența propriu-zisă, rigiditatea, rezistența la uzare și rezistența la temperaturii
sunt caracteristici ale materialelor organelor de mașini. care le mențin o anumita capacitate de a rezista și de a funcționa în diferite condiții.

Prelucrarea fără dificultăți deosebite ca și interschimbabilitatea sunt, de asemenea, însușiri de bază caracteristice multor organe de mașini cu rol funcțional deosebit.

Marea diversitate de forme și dimensiuni permite gruparea organelor de mașini după o serie de criterii, dintre care mai importante sunt cele constructive și cele funcționale.

Constructiv, organele de mașini se grupează în: organe simple (pene, nituri, șuruburi, arcuri, osii și arbori, roți etc.) și organe complexe (lagăre, rulmenți, ambreiaje, vane etc.). Organul complex se caracterizează printr-un ansamblu de piese elementare, care numai in totalitatea lor pot îndeplini un rol funcțional unitar.

După rolul funcțional, organele de mașini se grupează astfel:

– organele pasive (nituri, știfturi, pene, arcuri, șuruburi de fixare etc.) care nu contribuie în mod direct la transmiterea, la realizarea sau la transformarea mișcării mecanice, ci doar la asamblarea clementelor;

– organe active (șuruburi de mi§care, roți dințate, arbori, manivele, biele, lanțuri de transmisie etc.), care, în funcționare, au rolul de transmitere sau de transformare a mișcări.

Simplitatea constructivă, posibilitatea transmiterii continue – la distanțe variate, funcționarea silențioasă, capacitatea de amortizare a vibrațiilor și siguranța în funcționare sunt caracteristici spre care tinde perfecționarea continuă a transmisiilor mecanice.

Transmiterea directă a mișcării de rotație între arbori situați cap la cap se face prin intermediul cuplajelor.

Pentru transmiterea mișcării între arbori situați la o anumită distantă, dispuși într-o anumită poziție, se folosesc mecanisme speciale, numite transmisii mecanice. Transmisia mecanica este un ansamblu cinematic de elemente care au ca scop transmiterea mișcării de rotație cu sau fără transformarea acesteia însoțita de transmiterea energiei mecanice. Transformarea poate fi cantitativă, când se transmite mișcarea sub un anumit raport de transmitere

i ≠ 0 sau calitativă, când se produce transmiterea prin transformarea mișcării de rotație în mișcare de translație sau invers.

Transmisiile mecanice transmit mișcări de la arborele motor numit si arbore conductor la arborele condus.

Fig. 2.7 Scema bloc a unei transmisii mecanice

Rolul funcțional a unei transmisii mecanice este acela de a modifica turația arborelui conducător al mașinii motoare in vederea realizării turației necesare mașinii de lucru în același sens sau cu inversarea sensului de mișcare.

Parametrii de baza a unei transmisii mecanice sunt :

– puterea de transmisie

– sensul de rotație

– randamentul transmisiei

– turația arborelui conductor

– turația arborelui condus

– raportul de transmitere.

Transmisiile mecanice pot fi :

– directe

– indirecte

Transmisiile directe se caracterizează prin distanta mica dintre axa arborelui conductor și axa arborelui condus.

Din categoria transmisiilor mecanice directe fac parte :

– transmisii cu roti dințate

– transmisii cu came

– transmisii cu roti de fricțiune

– șurub – piulița

Transmisiile indirecte se caracterizează prin distanta mare dintre cei doi arbori.

Din categoria transmisiilor mecanice indirecte fac parte :

– transmisii cu lanț

– transmisii prin curele

– transmisii cu pârghii

Transmisia cu curea este un mecanism având rolul de a transmite mișcarea – deci cuplul motor – de la arborele de antrenare la cel antrenat prin intermediul unui element de tracțiune numit curea.

Noțiuni de bază

Cureaua este o bandă închisă (fără fine), flexibilă și extensibilă. Ea se înfășoară și aderă pe suprafețele periferice ale roților de transmisie, fixate pe arbori. Elementele componente ale transmisiei cu curele sunt: cei doi arbori între care se transmite mișcarea. lagărele de sprijinire a arborilor, două roți de transmisie (una conducătoare și alta condusă), cureaua de legătură ca element de tracțiune și, eventual, un dispozitiv de întindere a curelei. În figura 1 sunt reprezentate câteva tipuri de transmisii mecanice cu curele.

Clasificarea. În funcție de modul înfășurării curelei și de poziția axelor de rotație, se disting următoarele tipuri de transmisii:

– transmisii paralele cu același sens de rotație (fig. 2.8 a și e);

– transmisii încrucișate având roțile tot cu axele paralele, dar cu sensurile de rotație opuse (fig. 2.8 b și d);

– transmisii încrucișate în spațiu sub un unghi de 90° (fig. 2.8 c) sau sub un unghi oarecare (fig.2.8 f).

Fig. 2.8 Tipuri de bază și forme constructive de transmisii prin curele

Simplitatea constructivă, posibilitatea transmiterii continue – la distanțe variate, funcționarea silențioasă, capacitatea de amortizare a vibrațiilor și siguranța în funcționare sunt caracteristici spre care tinde perfecționarea continua a transmisiilor mecanice cu curele.

În funcție de forma secțiunii transversale a elementului de tracțiune se disting transmisii cu curele late, trapezoidale sau rotunde (fig. 2.8 g).

Avantaje. Flexibilitatea elementului de tracțiune determină funcționarea liniștită a
transmisiei fără șocuri sau vibrații. Posibilitatea transmiterii la distanțe mari între axe
(A ≤ 10m), cu un raport de transmitere mare (i ≤ 30), simplitatea constructivă și eficiența economică asigură transmisiilor cu curele un larg domeniu de aplicație în construcția de mașini și aparate. Ele se folosesc pentru transmiterea de puteri de la cele mai
mici până la 3000 kW, cu turații până la 16 000 rot/min și viteze periferice până
la 50 m/s. .

Domeniul de utilizare este limitat de alunecarea elastică a curelei pe roată în limitele ε = 0,2…5%, ceea ce face imposibili transmiterea uniformă a mișcării, cu un raport de transmitere constant.

Randamentul transmisiei este foarte ridicat (η = 0,92 . . . 0.98), iar alunecările elastice pot fi diminuate prin dispozitive de asigurare a unei aderențe sporite a curelei pe roată(fig. 2.8 a)

Exploatarea optimă a curelei este determinată de următoarele condiții :

– alegerea rațională a diametrului roți mici (D1 ≥ 30. . .50)δ (δ fiind grosimea curelei – fig. 2.8 g);

– menținerea unei distanțe între axe A , cuprinsă în limitele :

0,7(D1 + D2) ≤ A ≤ 2(D1 + D2) ;

– asigurarea aderenței curelei pe roți prin montarea curelei pretensionate în repaus cu o forță S0 mai mare decât forța utilă Fu necesar a fi transmisă :

– viteza periferică să nu depășească 10. . .30 m/s ;

– la transmisiile orizontale (fig. 2.8 a) ramura de jos să fie încărcată (conducătoare).

Materiale. Roțile de transmisie se execută din fontă, oțel, aliaje de aluminiu, mate-riale plastice. Pentru confecționarea curelelor se întrebuințează: piele de bovine, crupon, cauciuc sau pânză cauciucată, fibre textile, materiale plastice.

Principalele caracteristici ale materialelor pentru curele sunt indicate în tabelul

TABELUL 1

Caracteristicile de bază ale materialelor curelelor și limitelor utilizării

Parametrii geometrici și cinematici ai transmisiei

Alunecarea elastică a curelei pe roți se explică prin deformația elastică a curelei – datorită alungiri ramurii active. Analizând vitezele ramurii active v1 și ramurii pasive
v2, rezultă că, în timpul funcționarii transmisiei, în curea are loc trecerea de la viteza v1
în ramura activă la valoarea v2 în ramura pasivă în care cureaua rămâne mai groasă,
deci v1 < v2 adică v2/v1 < 1; în același timp, viteza periferică a roții conduse (V2), este
mai mica decât cea a roții conducătoare (V1), datorită fenomenului de alunecare elastică
a curelei pe periferia roților. Pentru caracterizarea cantitativă a acestui fenomen se folosește coeficientul de alunecare elastică ε care exprimă pierderea relativă de viteză în
transmiterea mișcării, adică: ,

ε = V1-V2/V1 sau in procente ε = V1-V2/V1 %.

Coeficientul de alunecare elastica variază în limitele ε = 0,2…….5%.

Raportul de transmitere se calculează aproximativ făcându-se abstracție de influența alunecării curelei, deci în ipoteza vitezei egale v1 = v2 . Rezultă:

i = n1/n2 = D2/D1

În practică se recomandă i ≤ 8

Lungimea curelei înfășurate pe roți trebuie determinată, întrucât lungimea reală a curelei închise, nemontate, trebuie să fie mai mică. Această diferență rezultă din necesitatea montării curelei pe roți prin întindere sau pretensionare pentru a asigura aderența. Calculul lungimii geometrice care este egală cu lungimea reală L, se face cu relația:

L = πDm + 2A + (D2 – D1)²/4A (1)

Calculul distanței dintre axele roților se face cu relația:

A = 0,25[L-πDm+√(L-πDm)²-2(D2-D1)²] (2)

Unghiul de înfășurare β. Buna funcționare a transmisiei este condiționată și de unghiul β1, corespunzător înfășurării curelei pe roata mica (fig. 2.9). La curelele late β1 > 150°, iar la cele trapezoidale β1 > 110°

Distanta dintre axe A. Valoarea unghiului de înfășurare β1 crește cu distanța dintre axele de rotație. Valoarea minimi limitează distanta dintre axe în funcție de diametral roți mari D2, după cum se indică pe figura 2.9

Fig. 2.9 Principalele elemente geometrice ale transmisiei

Calculul numărului de dinți ai roților dințate care formează angrenajul

Se determină mai întâi, din considerente geometrice și cinematice, numărul probabil de dinți pinionului :

(3)

unde: au valorile adoptate la pct. A, B și C.

Numărul de dinți ai pinionului se recomandă a se alege la valoarea întreagă cea mai apropiată sau imediat mai mică decât și trebuie, totodată, sa îndeplinească condițiile:

a) . Această condiție nu este îndeplinită întotdeauna în special la angrenajele cu danturi durificate . Pentru a se îndeplini condiția ca dinți, se majorează distanța dintre axe la o valoare imediat superioară standardizată, se recalculează modulul normal al danturii roților (conform punctului B), dar cu distanța dintre axe majorată. Se standardizează modulul calculat, apoi se recalculează cu relația (3.1.) și se adoptă . Acest ciclu se repetă dacă este cazul, până când este îndeplinită condiția ca dinți;

b) dacă numărul de dinți ai pinionului este cuprins între 14 și 17 dinți, se va avea în vedere ca la alegerea coeficientului deplasării specifice a danturii pinionului să fie îndeplinită condiția de evitare a subtăierii danturii (vezi anexa 1.4, fig. 1.4.1);

c) în special, la roțile din materiale de îmbunătățire sau normalizare se obține la pinion un număr de dinți mult prea mare dinți. În această situație, din considerente de precizie a execuției danturii, se recomandă a se adopta următoarele numere de dinți pentru pinion:

Odată ales de numărul dinți ai pinionului, se recalculează modulul normal al danturii cu relația:

(2)

Modulul astfel calculat se restandardizează conform indicațiilor de la punctul B.

Fiind acum stabilit numărul de dinți ai pinionului, se determină numărul de dinți ai roții conjugate:

(3)

Se recomandă, dacă este posibil, ca numerele de dinți ai pinionului și respectiv ai roții conjugate să fie numere prime între ele. De aceea, de multe ori se mai adaugă sau se scade un dinte la roata conjugată . Dacă la alegerea lui s-a rotunjit în minus sau în plus, se va rotunji în plus, respectiv în minus, astfel încât să fie îndeplinite condițiile (4) și (5).

Distanța de referință dintre axe –

Distanța de referință dintre axe (distanța dintre axe, în cazul când angrenajul ar fi nedeplasat) este:

(6)

Între distanța dintre axe standardizată și distanța de referință dintre axe trebuie să fie îndeplinite condițiile:

(7)

(8)

Dacă nu sunt îndeplinite condițiile se poate modifica:

– – adăugând sau scăzând un dinte la roata conjugată:

– – unghiul de înclinare al danturii;

– – modulul normal al danturii adoptând valoarea standardizată imediat superioară, dar recalculând numărul de dinți cu relația (1) și reluând calculul de la punctul D și E pentru noile valori adoptate.

Concluzii:

1. În urma calculului de predimensionare al angrenajului cilindric cu dinții înclinați se stabilește:

* – distanța dintre axe (standardizată):

* – modulul normal al danturii (standardizat);

* – unghiul de înclinare al danturii roților;

* – numărul de dinți ai pinionului și respectiv ai roții;

* – distanța de referință dintre axe (calculată cu minim 4 zecimale exacte).

2. Numărul de dinți adoptat pentru pinion și roată trebuie astfel ales încât abaterea raportului de transmitere să nu depășească abaterea admisibilă . Pentru aceasta se calculează mai întâi raportul de transmitere efectiv:

(9)

Relația de verificare a abaterii raportului de transmitere este:

(10)

Dacă această condiție nu este îndeplinită, se modifică numărul de dinți ai roții conjugate sau chiar ai pinionului, cu observația că dacă se modifică și numărul de dinți ai pinionului trebuie recalculat modulul danturii, relația (1), restandardizat și îndeplinite condițiile (5) și (6).

Cu ajutorul unui singur ax se poate transmite mișcarea de rotație între două axe paralele situate la o distanță limitată de mărimea roților dințate, precum și un raport de transmitere limitat.

Pentru transmiterea mișcării între axe paralele situate la o distanță mai mare se folosesc trenuri (lanțuri) roți dințate (figura 2.10), la care, între roata conducătoare a și roata condusă d se introduce o serie de roți intermediare. Considerând angrenajele parțiale a-b, b-c, c-d și notând cu rapoartele de transmitere parțiale se obțin:

unde:

Fig. 2.10 Tren de roti dintate Fig. 2.11 Tren de angrenaje

Raportul de transmitere al trenului nu depinde de roțile intermediare, care, rând pe rând, sunt roți conduse și conducătoare în angrenaje parțiale succesive, având aceeași valoare, ca și când roțile externe a și d ar fi angrenate direct.

În figura 2.11 se arată un tren de angrenaje, compus din trei angrenaje a-A, b-B, c-C, ale căror rapoarte de transmitere sunt:

Raportul de transmitere al trenului de angrenaje este

Mecanismul din figura 3.2 reprezintă un reductor de turații. Mecanismul este reversibil; dacă transmiterea mișcării se face de la roata C către roata a, se obține un amplificator de turații.

Aplicație pentru cazul real

Razele roților sunt:

;

,

Raportul de transmitere este:

.

Determinarea momentului motor

Calculul energetic din care rezultă momentul motor

Greutatea unui robot, împreună cu roțile, este egală cu P ; greutatea fiecăreia din roțile sale este egală cu p și raza roții este r.

Asupra roților din spate (motoare) este aplicat momentul motor . Automobilul, începând să se deplaseze din poziția de repaus, întâmpină rezistența aerului, care este proporțională cu pătratul vitezei sale de translație, având expresia .

Momentul de frecare din lagărul fiecărei roți este egal cu . Neglijând rezistența la rostogolire, să se determine viteza maximă a automobilului.

Pentru a determina viteza maximă formăm ecuația diferențială a mișcării automobilului

Energia cinetică a robotului este egală cu energia carcasei și a roților. Ținând seama că P este greutatea totală a robotului și , și notând raza de inerție a roții cu , obținem

,

deci

.

Printre forțele exterioare, numai forța de rezistență a aerului efectuează un lucru mecanic, dacă neglijăm rezistența la rostogolire, lucrul mecanic al forțelor de frecare dintre roți și sol fiind nul în acest caz (deoarece punctul de contact dintre roți și sol este centrul instantaneu de rotație). Prin urmare

.

Lucrul mecanic al forțelor interioare (ale momentului motor și de frecare din lagăre) este

.

Înlocuind expresiile termenilor , în ecuația diferențială a mișcării robotului și împărțind cei doi membrii ai ei prin dt, obținem:

de unde, simplificând prin , rezultă ecuația

din care se poate explicita accelerația a robotului.

Când robotul atinge viteza maximă, accelerația devine nulă. Ca urmare, se obține din din ecuația

de unde

.

Pentru:

– vezi aplicația 1, unde am calculat momentul de rostogolire.

r- 0,025, k=0,0003, determinat experimental.

2.1.2.2 Mașina de curent continuu

Mașina de curent continuu cunoaște o mare răspândire în sistemele de acționare electrică, datorită caracteristicilor electromecanice avantajoase pe care le prezintă. Mașina de curent continuu este utilizată atât în regim de motor cât și în regim de generator; regimul de frână este întâlnit numai incidental în funcționarea mașinii de curent continuu.

În mașina de curent continuu câmpul inductor este fix față de armătura inductoare, realizată ca stator. Câmpul inductor poate fi produs cu ajutorul curentului continuu sau cu ajutorul magneților permanenți (la puteri mici). Înfășurarea prin care trece curentul continuu pentru producerea câmpului inductor se numește înfășurare de excitație.

Indusul mașinii de curent continuu, realizat pe rotor, este prevăzut cu o înfășurare de curent continuu (de tip închis), conectată la colector, organ caracteristic și indispensabil al mașinii de curent continuu, care are rolul de a redresa curentul alternativ al indusului pentru a da în circuitul exterior un curent continuu.

Înfășurarea de excitație a mașinii de curent continuu poate fi în diferite moduri: de la surse exterioare mașinii (fig. 2.12,a), când se spune că mașina are excitație separată, sau chiar de la bornele mașinii, când se spune că mașina este autoexcitată. După modul de excitație mașinile cu autoexcitație pot fi excitate în paralel sau în derivație (fig. 2.12,b), cu excitație serie (fig. 2.12,c), sau cu excitație compusă (fig. 2.12,d).

Fig. 2.12 Conexiunile mașinilor de curent continuu:

a – cu excitație separată; b- cu excitație derivație; c- cu excitație serie; d – cu excitație mixtă.

Regimul nominal de funcționare al mașinii de curent continuu se caracterizează prin mărimile nominale, pentru care a fost dimensionată mașina și care sunt înscrise pe plăcuța indicatoare a mașinii: regimul de funcționare (generator, motor); puterea în kW; la generatoare puterea electrică la borne, la motoare, puterea mecanică la arbore; curentul la bornele principale în A; tensiunea la borne în V ; turația nominală în rot/min; tensiunea și curentul de excitație în V respectiv în A; regimul de lucru (de durată, intermitent, scurtă durată).

Principiul ei de funcționare bazându-se, ca și la celelalte mașini electrice, pe legea inducției electromagnetice.

Piesa cu rol de redresor mecanic, la generatorul de c.c., și de invertor mecanic, la motorul de c.c., este colectorul mașinii care se plasează între înfășurarea rotorică și exterior, periile fac elementul de legătură.

Elemente constructive ale mașinii de c.c.

Mașina de c.c., are două părți constructive de bază: statorul, compus din carcasă (din oțel masiv, ce are și rolul de jug statoric), polii principali (sau de excitație, din tole), polii auxiliari (de comutație, din oțel masiv, fiind specifici numai mașinilor cu puteri de peste 1kW), înfășurările rotorice excitație și ale polilor auxiliari, scuturile laterale, sistemul de perii, lagărele și bornele; rotorul, compus din miezul feromagnetic (din tole izolate, crestat spre întrefier), înfășurarea rotorică (așezată în crestăturile rotorice), colectorul, ventilatorul, rulmenții și arborele.

În figura 2.13, se prezintă o secțiune transversală printr-o mașină de c.c., bipolară în care se regăsesc majoritatea elementelor enumerate mai sus: 2- poli principali; 3- bobina de execuție; 4- poli auxiliari; 5- bobina polului auxiliar.

Colectorul mașinii de c.c. este alcătuit din lamele conductoare din cupru.

Pe colector se găsesc periile mașinii confecționate din grafit prin intermediul cărora se face legătura între exteriorul mașinii și înfășurarea rotorică.

Înfășurarea rotorică este închisă, fără bornă de început sau sfârșit. Elementul de bază al înfășurării este secția, care are spire și care reprezintă bobina așezată în crestăturile rotorice ale cărei capete se leagă la două lamele vecine de colector (la înfășurarea buclată), sau la două lamele distanțate cu un pas diametral (la înfășurarea ondulată). Un alt element al înfășurării rotorice îl reprezintă calea de curent, care este porțiunea de înfășurare, formată din secții înseriate pe care le parcurgem când ne deplasăm pe înfășurare între două perii consecutive, care sunt întotdeauna cu nume contrar.

De regulă, t.e.m. induse în secțiunile unei mașini de curent au același sens și din însumarea lor rezultă t.e.m. totală între periile mașinii. Numărul total de curent este par. Înfășurarea buclată are întotdeauna , ( numărul de perechi de poli ai mașinii), iar înfășurarea ondulată are întotdeauna . Sub aspectul introducerii t.e.m., nu există deosebiri între înfășurările buclată și ondulată. Periile mașinii sunt plasate simetric pe periferia colectorului și numărul lor este egal cu numărul de poli de excitație ai mașinii. Polaritatea periilor alternează pe colector.

Fig. 2.13 Secțiunea transversală prin mașina de c.c.

2- poli principali; 3- bobina de execuție; 4- poli auxiliari; 5- bobina polului auxiliar.

Sensul cuplului electromagnetic se determină cu ajutorul vectorului , unde este densitatea de curent din conductoare; semnul minus arată că se opune mișcării, adică sensurile adoptate pentru curent și pentru câmpul magnetic corespund regimului de generator (fig. 2.14).

Fig. 2.14 Sensul câmpului electromagnetic și al vitezei unghiulare la generatorul de curent continuu.

Regimul de motor

Mașina de curent continuu poate funcționa și în regim de motor electric. Motorul electric (fig. 4.4) transformă puterea electrică primită de la o rețea electrică în putere mecanică prin intermediul câmpului electromagnetic.

Fig. 2.15 Motorul de curent continuu.

În regim de motor cuplul electromagnetic, schimbă semnul și acționează asupra rotorului în sensul de rotație (cuplu activ). În regimul de motor sensurile de referință ale tensiunii la borne și ale curentului se asociază după regula de la receptoare (fig.2.15). Ecuațiile motorului în regim staționar rămân de aceeași formă ca și la generator cu precizarea că schimbă semnul:

(1)

Căderea de tensiune schimbă semnul o dată cu .

Fig 2.16 Asocierea sensurilor de

referinta in regimul de motor Fig 2.17 Diagrama energetica a motorului

După modul de conectare a înfășurării de excitație se disting: motoare cu excitație separată, motoare cu excitație derivație, motoare cu excitație serie și motoare cu excitație mixtă. Când alimentarea motorului se face de la o sursă de tensiune constantă nu există deosebire între motorul cu excitație separată și motorul cu excitație derivație. Ecuația cuplurilor la viteză de rotație constantă este: ; este cuplul dezvoltat de ax pentru a învinge cuplul rezistent al instalației antrenate. Înmulțind ecuația cuplurilor cu se obține ecuația puterilor

(2)

este puterea utilă la arbore. Puterea electromagnetică se poate pune sub forma:

(3)

unde este puterea absorbită de motor de la rețea; sunt pierderile Joule în rezistența la perii și în rezistența ; este puterea transformată în căldură prin efect Joule în înfășurarea de excitație. Pa baza relațiilor de mai sus s-a construit diagrama energetică a motorului (fig. 4.6). Randamentul motorului este:

(4)

Polaritatea polilor auxiliari se stabilește după aceeași regulă ca la generator și rezultă că parcurgând periferia rotorului în sensul de rotație, întâlnim întâi un pol auxiliar de polaritate opusă față de polul de excitație care urmează.

Motoarele de curent continuu prezintă o deosebită importanță în acționările cu reglaj de viteză, cunoscând în prezent o largă dezvoltare, ca fabricație și utilizare.

Caracteristicile motorului de curent continuu depind de modul de conectare al înfășurării de excitație; este importantă caracteristica mecanică care se aproximează cu .

2.1.3Diferentalul electronic

Fig 2.18 Schema bolc a diferentialului electronic

In sistemele de tracțiune tradiționale, motorul transmite forța de propulsie roților prin diferențial mecanic Acest mecanism consta dintrun set de roti dintate care transmit aceasi cantitate de cuplu pentru fiecare roata permitand viteze diferite rotiilor. Acest sistem de traciune perzinta pierderi datorita freccarilor si nu poate controla cuplul individual pentru fiecare roata. Un differental electronic nu are aceste pierderi si poate controla cuplul independent pentru fiecare roata,asigurand tractiune si manevrabilitate mai buna.

Fig 2.19 Modelul Geometric Ackerman

Modelul Geometric Ackerman

Sistemul diferential permite rotilor actionata sa se roateasca cu viteze diferite.La intorcerea robotului lungimea arcului de cerc parcurs de roata exterioara trebuie sa fie mai mare decat lungimea arcului de cerc parcurs de roata interioara la fel si viteza rotii exterioare trebuie sa fie mai mare decat a rotii interioare. Principiul de functionare a diferentialului mecanic transmite acelasi valori de cuplu ambelor roti permitandu-si viteze diferite care duce la derapare. Diferentialul electronic poate sa regleze independent turatia celor doua motoare eliminanad derapajul.

Pentru determinarea raze de intorcere (R) unghiului de viraj (δ) și la rândul lor, valorile vitezelor unghiulare diferite a rotilor.

Viteza liniară a fiecărei roți este exprimată ca o funcție de viteza a vehiculului și a raza curbei, Ecuațiile (1) și (2).

(1)

(2)

Raza curbei de viraj depinde de ampatamentul rotilor si de unghiul de viraj

(3)

Substituind ecuatia 3 in ecuatiile 1 si 2 obtinem viteza unghiulara pe fiecare roata condusa

(4)

(5)

Diferenta dintre vitezele unghuilare ale rotilor este exprimat de ecuatia (6) Semnalul unghului de viraj indica diretcia curbei (7)

(6)

(7)

La inceperea virajului diferentialul electronic reduce viteza rotiii interiore si mareste viteza rotii exterioare fig.4 Vitezele unghiulare ale celor doua roti sunt:

(8)

(9)

Viteza de referinta ale celor doua motoare sunt

(10)

(11)

Unde k este raportul de transmisie

Fig.2.20 Schema bloc a diferentialului electronic

2.2 Sisteme de comanda utilizate la robotul mobil

2.2.1 Microcontrollere

Noțiuni introductive

La modul general un controler ("controller" – un termen de origine anglo-saxonă, cu un domeniu de cuprindere foarte larg) este, actualmente, o structură electronică destinată controlului unui proces sau, mai general, unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară intervenția operatorului uman. Primele controlere au fost realizate în tehnologii pur analogice, folosind componente electronice discrete și/sau componente electromecanice (de exemplu relee). Cele care fac apel la tehnica numerică modernă au fost realizate inițial pe baza logicii cablate (cu circuite integrate numerice standard cu integrare de scara mica SSI și cu integrare de scara medie MSI ) și a unei electronici analogice uneori complexe, motiv pentru care aveau dimensiuni mari, consum energetic pe mare și, nu de puține ori, o fiabilitate care lăsa de dorit.

Apariția și utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducere consistentă a costurilor, dimensiunilor, consumului și o îmbunătățire a fiabilității. Există și la ora actuală o serie de astfel de controlere de calitate, realizate în jurul unor microprocesoare de uz general cum ar fi Z80 (Zilog), 8086/8088 (Intel), 6809 (Motorola), etc.

Pe măsură ce procesul de miniaturizare a continuat, a fost posibil ca majoritatea componentelor necesare realizării unei astfel de structuri să fie încorporate (integrate) la nivelul unui singur microcircuit (cip). Astfel că un microcontroler ar putea fi descris ca fiind și o soluție a problemei controlului cu ajutorul a unui singur circuit.

Legat de denumiri și acronime utilizate, așa cum un microprocesor de uz general este desemnat prin MPU (MicroProcessor Unit), un microcontroler este, de regulă, desemnat ca MCU, deși semnificația inițială a acestui acronim este MicroComputer Unit.

O definiție, cu un sens foarte larg de cuprindere, ar fi aceea că un microcontroler este un microcircuit care incorporează o unitate centrală (CPU) și o memorie împreună cu resurse care-i permit interacțiunea cu mediul exterior.

Resursele integrate la nivelul microcircuitului ar trebui să includă, cel puțin, următoarele componente:

a). o unitate centrală (CPU), cu un oscilator intern stabilizat cu cristal de cuarț pentru frecventa de ceas

b). o memorie locală tip ROM/PROM/EPROM/FLASH și eventual una de tip RAM c. un sistem de întreruperi

d). I/O – intrări/ieșiri numerice (de tip port paralel)

e). un port serial de tip asincron și/sau sincron, programabil

f).un sistem de temere-temporizatoare/numărătoare programabile

Este posibil ca la acestea să fie adăugate, la un preț de cost avantajos, caracteristici specifice sarcinii de control care trebuie îndeplinite:

g). un sistem de conversie analog numerică(una sau mai multe intrări analogice)

h). un sistem de conversie numeric analogic și/sau ieșiri PWM (cu modulare în durată) si un comparator analogic

j).o memorie de date nevolatilă de tip EEPROM

k). Facilități suplimentare pentru sistemul de temporizare/numărare (captare și comparare)

Un microcontroler tipic mai are, la nivelul unității centrale, facilități de prelucrare a informației la nivel de bit, de acces direct și ușor la intrări/ieșiri și un mecanism de prelucrare.

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. 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.

La ora actuala la fabricarea microprocesoarelor nu se mai folosește tehnologia TTL (transistor transistor logic) practic toate microcontrolerele se realizează în tehnologie CMOS (tehnologii similare celor utilizate la seriile standard CMOS de circuite numerice: HC, AC, ALV, etc.). Se pot realiza astfel structuri cu o mare densitate de integrare, cu un consum redus (care va depinde de frecventa de lucru), permițând eventual alimentarea de la baterie. Logica internă este statică (total sau în cea mai mare parte) permițând astfel, în anumite condiții, micșorarea frecventei de ceas sau chiar oprirea ceasului în ideea optimizării consumului. Tehnologia este caracterizată și de o imunitate mai mare la perturbații, esențială într-un mare număr de aplicații specifice. Se realizează variante pentru domeniu extins al temperaturii de funcționare (de ex.- 40 +85 C).

Există foarte multe variante de încapsulare (capsule de plastic și mai rar de ceramică), multe din ele destinate montării pe suprafață SMD: SOIC, PLCC, PQFP, TQFP (x100pini), etc., dar și variante clasice cu pini tip DIP/DIL (tipic de la 8 la 68 pini).

Orice microcontroler este caracterizat cel puțin de existenta circuitelor electronice aferente oscilatorului care generează ceasul de sistem. Astfel este posibilă implementarea simplă a oscilatorului doar prin adăugarea, în exterior, a unui rezonator extern (cuarț sau piezoceramica) pentru stabilizarea frecventei si eventual a unor capacitări. Dacă stabilitatea si precizia frecventei nu este o cerință importantă, la anumite microcontrolere se poate utiliza doar un circuit RC extern sau există un circuit RC intern, care determină frecventa de oscilație. Există microcontrolere la care configurația oscilatorului este programabilă prin intermediul unor „fuzibile" FLASH (se programează similar memoriei de program): rezonator extern și tipul acestuia, varianta RC intern sau extern, gama de frecventă, etc. La familiile evoluate de microcontrolere există si circuite de tip PLL (Phase Locked Loop) si/sau FLL (Frequency Locked Loop) care permit multiplicarea cu ușurință a frecventei de bază (cea a rezonatorului extern). Astfel plecând, de exemplu de la o frecventă de 32.768KHz se pot obține frecvente de lucru până ordinul MHz-lor. La astfel de microcontrolere sistemul de ceas este programabil prin intermediul unor registre speciale oferind un maxim de flexibilitate în sensul putinței de controla compromisul între puterea consumată și viteza maximă de lucru.

Toate microcontrolerele au un număr oarecare de intrări- Inputs / ieșiri numerice-Outputs (de la x1 la x10) organizate sub forma unor porturi I/O; conexiunile exterioare sunt bidirecționale sau unidirecționale, unele sunt multifuncționale (se oferă funcții alternative pe același pin), unele pot avea o capacitate sporită de a absorbi curent (de exemplu pentru comanda directă a unui LED, cu IOL max = – 20mA), etc.

În afară de acest set de intrări/ieșiri de uz general, pentru interfața cu mediul exterior se oferă o serie de alte facilități importante de intrare/ieșire cum ar fi:

a). UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) este un port serial bidirecțional destinat implementării unui protocol clasic de comunicație asincron; USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) este un port similar, dar care permite implementarea și a unui protocol sincron cu obținerea unor viteze mai mari de comunicare; SCI (Serial Communications Interface) este un circuit de tip UART îmbunătățit, definit și utilizate de firma Freescale(Motorola). LIN (Local Interconnect Network) reprezintă o implementare particulară a unui protocol de comunicație asincron, utilizată în industria de automobile ca o alternativă de mică viteză dar cu preț scăzut pentru magistrala și protocolul CAN.

b). Porturi seriale sincrone dedicate – sunt destinate transferului serial de date de mare viteză cu unele periferice specializate (sisteme de afișare, convertoare analog-numerice, etc.) sau care permit conectarea într-o rețea de comunicație. Presupun existenta, împreuna cu datele, a unui semnal de ceas (implicit sau explicit) pentru sincronizarea acestora. Implică și implementarea unor protocoale mai mult sau mai puțin complexe de transfer al informației, fiind de fapt vorba de o magistrală serială. Există câteva implementări răspândite (sunt prezentate în ordinea crescătoare a complexității):

– SPI (Serial Peripheral Interface) este un port serial sincron definit de firma Motorola

– Microwire / Microwire Plus este o inter fană serială bidirecțională sincronă definită și utilizată de firma National Semiconductors

– I2C (Inter Integrated Circuits bus) este o interfață serială bidirecțională (pe numai 2 fire), dezvoltată de Philips, destinată aplicațiilor de 8 biți. Există și multe circuite "periferice" care sunt prevăzute cu o astfel de interfață. Este cunoscută și sub denumirea TWI (Two Wire Interface)

– CAN (Controller Area Network) proprietate intelectuală a firmei Bosch, foarte utilizat în Europa și Japonia, oarecum similar ca funcționalitate lui SAE J1850 care este utilizat în America de Nord (SAE -Society of Automotive Engineers), este un standard (o magistrală și un protocol) de comunicanții serială sincronă utilizat în industria de automobile, permițând interconectarea într-o rețea a diverselor componente inteligente (senzori, elemente de execuție, indicatoare, etc.) omniprezente într-un automobil modern. In ultimul timp magistrala CAN a început să fie utilizată și în alte domenii decât industria de automobile (automatizări industriale, robotică, acționări electrice).

c). Conectivitate Ethernet/Web – implică existenta unor resurse care să permită integrarea cu ușurință într-o rețea de tip Ethernet, pentru a face posibilă, în final, implementarea unui protocol TCP/IP (a unei stive TCP/IP). Resursele respective pot fi de natură software (stivă soft) care presupun o viteză de prelucrare (putere de calcul) a CPU suficient de mare pentru a nu afecta vizibil operarea propriu-zisă a controlerului, sau hardware (stivă hardware). Pe baza acestei stive se poate realiza o conectivitate tip HTTP, FTP, STMP, POP3, etc.

d). Conectivitate USB – magistrala serială USB (Universal Serial Bus) a fost creată pentru conectarea cu ușurință a diverselor periferice la un calculator PC (cu rolul de gazdă – host). Conexiunea permite si furnizarea tensiunii de alimentare. Varianta USB 1.1 permite atingerea unei rate de transfer maxime a datelor de 12Mbytes/sec, iar varianta USB 2.0 a unei rate maxime de cca. 480MBytes/sec. La ora actuală există pe piață multe firme care oferă o gamă largă de microcontrolere cu conectivitate USB (majoritatea compatibile USB 1.1), cu un preț de cost minim pentru componentele hardware și software. Exemple în acest sens ar fi firmele: Atmel, Microchip, Intel, Cypress, ST, Infineon, s.a. Majoritatea sunt destinate realizării unor periferice USB si mai puține realizării unui USB host.

e). Conectivitate Wireless- se referă la existenta unor resurse hardware si/sau software care să permită integrarea cu ușurință și la un preț de cost avantajos într-o rețea de tip wireless, pentru a face posibilă, în final, implementarea unui protocol (a stivei aferente protocolului). Exemplele cele mai cunoscute de astfel de rețele, protocoale și stive sunt Bluetooth (IEEE 802.15.1) și Zigbee (IEEE 802.15.4).

f). Convertoarele Analog Numerice (CAN, ADC)

Convertoarele utilizate fac parte de regulă dintr-un sistem de achiziție de date, existând și un multiplexor analogic cu mai multe canale de intrare. Rezoluția disponibilă este tipic de 8, 10 sau 12 biți, uneori cu precizia (rezoluția adevărată) corespunzătoare unui număr mai mic de biți. In marea majoritate a cazurilor ele sunt realizate pentru mărime de intrare unipolară. Sursa de referință utilizată este internă sau externă. Timpul minim de conversie este în plaja x |j,sec la x10 |j,sec. Există microcontrolere care utilizează tehnici de recalibrare (auto-zero, corecție câștig, etc.) pentru mărirea și/sau menținerea preciziei.

Tehnicile de conversie cele mai utilizate sunt: aproximații succesive (majoritatea) cu eșantionare implicită (circuit Track-Hold inclus), rampă digitală (mai rar). Există și subsisteme locale care, în cazul în când sunt prezente, pot fi folosite pentru implementarea unor alte tehnici de conversie bazate pe integrare (cu utilizarea unui număr minim de componente exterioare): numărătoare de impulsuri, circuite comparatoare (analogice, standard), intrări de captare (forțează memorarea – "captarea" valorii unui numărător care numără liber, în momentul activării, permițând astfel măsurarea intervalelor de timp sau frecventelor), etc.

g). Convertoarele Numeric Analogice (CNA, DAC)

Cea mai răspândită tehnică de conversie numeric analogică folosită este bazată pe modulația în factor de umplere (PWM- Pulse Width Modulation). Există unul sau mai multe canale pe care se poate genera un tren de impulsuri cu factor de umplere programabil (de la 0 la 100%). Factorul de umplere este controlat cu o rezoluție de la 8 biți sau 16 biți. Frecventa trenului de impulsuri este și ea programabilă, în limite largi. La un microcontroler fără un sistem PWM dedicat, în acest scop se poate utiliza, cu o flexibilitate mai scăzută, sistemul de timere/numărătoare și orice ieșire numerică. Printr-o filtrare exterioară relativ simplă, de tip trece jos (FTJ, Low Pass), se poate obține o tensiune de ieșire proporțională cu factorul de umplere. Convertoare numeric analogice propriu-zise sunt mai rar întâlnite.

f). Interfața pentru sisteme de afișare tip LCD (panou LCD)

În ultimul timp în familiile de microcontrolere deja consacrate sau în familiile noi au apărut variante care posedă un subsistem destinat conectării directe, cu utilizarea unui număr minim de componente exterioare, unui sistem de afișare (un panou) de tip LCD (cu cristale lichide). Interfața respectivă generează toate semnalele necesare pentru comanda panoului LCD. Complexitatea sa este descrisă prin numărul maxim de segmente LCD care pot fi controlate, fiind limitată în primul rând de numărul de conexiuni externe necesare (pentru un număr mare de segmente oricum se folosesc tehnici de multiplexare).

2.2 Comanda motoarelor de curent continu

Atunci când dorim să comandăm un motor (de curent continuu sau pas cu pas) suntem cel mai des obligați să inversăm polaritatea motorului. Mai mult este de preferat să se poată varia viteza motorului. Soluția acestor două probleme se numește punte H.

Fig.2.21 Principiul de inversare a polarității

În figurile de mai sus se cunoaște sensul de rotație al motorului: în figura a. motorul este oprit, (am putea spune că acesta este frânat: de fapt scurt – circuitat). În figura b. se întoarce în sens invers față de figura c. iar în schema d. este frânat. Pentru a o pune în funcționare, este necesar să înlocuim întreruptorii cu tranzistori.

Fig.2.22 Schema ideală a unei punți H

În figura de mai sus este reprezentată schema ideală a unei punți H. Atunci când intrarea In 1 (In 2) este activă, tranzistorul Q1 (Q2) lasă curentul să treacă si tranzistorul Q3 (Q4) este blocat. Când intrarea In 1 este activă, polul 1 al motorului are un potențial Vcc, și atunci când intrarea In 1 este inactivă, polul 1 al motorului este la masă. Atunci când oprim motorul, și el continuă să se învârtă în virtutea inerției, acesta se comportă ca o generatoare.

2.2.3 Senzori

Definitie, generalitati, clasificare

Traductoarele, cunoscute frecvent sub numele de elemente de masura sunt destinate pentru masurarea marimilor conduse si a unor marimi semnificative pe baza carora se pune în evidenta echilibrul proceselor. Prin intermediul lor, se pot obtine informatiile necesare conducerii automate a proceselor în circuit închis, fiind montate de regula pe bucla de reactie.

Traductoarele sunt elemente din structura sistemelor automate care au rolul de a

masura valorile parametrului reglat si de a converti acest parametru (marime) într-o

marime fizica ce este compatibila cu marimea de intrare în elementul urmator al sistemului.

Traductoarele se compun din elementul sensibil si elementul traductor.

Diferenta între un traductor electronic si un traductor optoelectronic este la senzor,

care în acest caz este optoelectronic.

Elementul sensibil efectueaza operatia de masurare propriu-zisa a semnalului de la intrare x(t), iar elemental traductor asigura transformarea semnalului într-un alt semnal,în general semnal electric sau pneumatic y(t), unificat, semnal ce îndeplineste conditiile pentru a putea fi transmis la distanta.

Traductoarele electronice transforma marimea fizica de masurat într-o marime electrica, utilizând tehnici electronice.

Criteriile de clasificare a traductoarelor electronice sunt urmatoarele:

a) Dupa natura marimii fizice neelectrice de intrare, traductoarele sunt:

– pentru semnale radiante, termice, chimice, mecanice, magnetice, etc.

b) Dupa modul în care se face transformarea semnalului de la intrare si modul de

interconectare, traductoarele se împart în:

– traductoare directe, care realizeaza o singura transformare si

– traductoare complexe, care înglobeaza mai multe tipuri de traductoare directe si

uneori chiar elemente auxiliare.

Transformarea directa se face într-un singur element fizic iar transformarea complexa (indirecta) se face atunci când sunt necesare mai multe transformari successive ale marimii fizice de intrare.(De exemplu sunt senzori la care lumina emisa de LED este condusa prin fibra optica la locul dorit si inapoi la fotodioda care transforma in semnal electric)

c) Dupa principiul de functionare, traductoarele sunt:

– parametrice (modulatoare) si

– energetice (generatoare).

Traductoarele parametrice sau modulatoare transforma variatia marimii neelectrice

de la intrare într-o variatie a unui parametru electric (rezistenta, inductanta mutuala,

capacitate) si necesita o sursa de energie auxiliara (termorezistenta, marca tensometrica,

fotorezistenta, piezorezistenta, bolometrul, etc.).

Traductoarele energetice sau generatoare transforma marimea neelectrica de intrare

într-o tensiune, curent sau sarcina electrica fara a avea nevoie de o sursa auxiliara de

energie. Exemple: termopila, fotodioda, fotodetectorul piroelectric, traductorul

piezoelectric, etc.

d) Dupa forma semnalului electric de iesire, traductoarele sunt:

– analogice, la care semnalul produs depinde continuu de marimea de intrare si

– numerice, la care semnalul de iesire variaza discontinuu, dupa un anumit cod (operatie de

codificare).

e) Dupa marimea neelectrica:

– Traductoare pentru marimi geometrice: rezistive, inductive, capacitive si numerice de

deplasare; cu radiatii; de proximitate.

– Traductoare pentru marimi cinematice: de viteza; de acceleratie; de socuri si vibratii;

giroscopice.

– Traductoare pentru marimi mecanice: elastice (tractiune, compresie, îndoire, cuplu);

tensometrice rezistive; cu coarda vibranta; magnetostrictive; de forta; de cuplu.

– Traductoare pentru marimi tehnologice: presiune, debite, nivel, temperatura.

– Alte traductoare: integrate,ultrasonice etc.

Una din variantele de clasificare, în functie de marimea de intrare si cea de iesire,

este prezentata schematic în figura 2.21

Fig2.23 Clasificare, în functie de marimea de intrare si cea de iesire

Diferenta între un traductor electronic si un traductor optoelectronic este la senzor,

care în acest caz este optoelectronic. Schema bloc a unui senzor optoelectronic este prezentata în figura 2.23

Fig.2.24 Schema bloc a unui traductor opto-electric

Sursa de radiatie optica poate fi de orice tip: coerenta sau necoerenta, de banda larga

sau de banda îngusta si putere optica mare sau mica, în functie de mediul de propagare

ales, de distanta pâna la senzorul optic pasiv, tipul senzorului optic pasiv, tipul marimi in de masurat si aplicatie. Marimea de masurat determina variatia unuia din parametrii undei de

radiatie optica în senzorul optic pasiv: intensitate, faza, polarizare, lungime de unda sau

frecventa de modulatie.

Senzorul optic activ (denumit si detector optic sau fotodetector) converteste variatia intensitatii undei de radiatie optica de la iesirea senzorului optic pasiv în variatia unui semnal electric: tensiune, curent, sarcina sau rezistenta.

În figura 2.25 este reprezentata schema bloc a senzorului optoelectronic cu variatiapolarizarii radiatiei optice.

Fig 2.25 Schema bloc a senzorului optoelectronic

În acest caz, sursa de radiatie optica trebuie sa fie monocromatica si sa permita o

definire corecta a starii de polarizare. Blocul polarizor este un element optic care permite

obtinerea unei polarizari bine definite. Contine un polarizor si mai multe lame ce permit un

defazaj fix sau continuu variabil între doua polarizari ortogonale. Senzorul optic pasiv este

un mediu a carui birefringenta depinde de marimea de masurat. Conversia se face prin

efect elasto-optic, electro-optic sau magneto-optic –++

Blocul analizor de polarizare permite analiza starii de polarizare a undei de radiatie

optica de la iesirea modulatorului optic si se complica daca se masoara toti parametrii care

descriu starea de polarizare. În cele mai multe cazuri, este suficienta masurarea unuia sau a

doi parametri cu ajutorul unor elemente fixe, ceilalti parametri fiind cunoscuti. Acest lucru

este posibil daca se cunoaste evolutia birefringentei senzorului optic pasiv în functie de variatia marimii de masurat. Analizorul de polarizare transforma variatia polarizarii în variatii de intensitate.

Rolul senzorului optic pasiv este acela al unui modulator optic, însa transforma si variatia parametrului modulat în variatie de intensitate optica

Există mai multe tipuri de senzori, și destul de puține au fost puse de a utiliza în robotică autonome. Nu uita la tipurile de senzori de diverse alte roboți au folosit. Am ales infra-roșie Senzori, și sfătui să faci același. Motivele sunt Ușor de punere în aplicare

Costul Disponibilitate IR senzori lucrează pe principiul ilustrat prin aceasta diagrama.

Fizica care guvernează reflecție de vizibil și lumina infrarosie sunt aceleași. LED-uri IR sunt ușor accesibile, și așa sunt senzori pentru a detecta radiații IR.

Cu excepția cazului în ecranat în mod corespunzător, de radiații ambiant pot afecta aceste lecturi. Puteți "netezi" datele dupa ce a primit, dar amplasarea corectă și ecranare asenzori va merge un drum lung pentru a ajuta obține citiri precise de pe pista.

Ai două opțiuni acum, pentru a achiziționa o sensormodule IR fabricat, sau pentru a construe unul.

Un singur produs are multe beneficii, cum ar fi mai puțin sensibilitatea la zgomot și de reglare si integrare usoara.

Cel mai mare dezavantaj al unui modul de fabricat este … nu este configurabil. Exact opusul este valabil pentru un modul de. Dacă sunteți abia la început, probabil vă va salva destul de un pic de probleme în cazul în care ati cumparat unul, dar are limitele sale. Citiți această secțiune complet înainte de a lua o decizie.

Module de senzori în acest sens se referă la un circuit care poate detecta lumina reflectată și de a o transforma într-un

Cantitatea care poate fi interpretat de un microcontroler … tensiune.

Noi o numim module, pentru că, uneori, mai mult de o pereche de senzor este integrată, formând o serie de senzori.

Acest modul senzor are 8 IR Phototransistor perechi de LED-uri / montate pe un "teren de 0.375, ceea ce face un detector de mare pentru un robot-linie următor. Perechi de LED-uri sunt aranjate în serie pentru a reduce la jumătate consumul de curent, și un MOSFET permite LED-uri pentru a fi transformat off pentru opțiuni suplimentare de detectare sau de putere-de economii. Fiecare senzor ofera o eu digital separat de ieșire / o-măsurabilă.

2.2.4 Limbaje de programare

Limbajul mașină și de cel de asamblare

Limbajul mașină (instrucțiunile mașină) este singura formă de reprezentare a informației pe care un microcontroler o "înțelege!). Din păcate această formă de reprezentare a informației este total nepractică pentru un programator, care va utiliza cel punți un limbaj de asamblare, în care o instrucțiune (o mnemonică cu operanzii aferenți) are drept corespondent o instrucțiune în limbaj mașină (excepție fac macroinstrucțiunile disponibile la unele asambloare).

Un program în limbaj de asamblare este rapid și compact. Aceasta nu înseamnă că un astfel de program, prost scris, nu poate fi lent și de mari dimensiuni, programatorul având controlul total (și responsabilitatea !) pentru execuția programului și gestiunea resurselor.

Limbajul de asamblare este primul care trebuie învățat, chiar sumar, atunci când dorim să proiectăm o aplicație hard/soft cu un anume microcontroler (familie), el permițând înțelegere arhitecturii acestuia și utilizarea ei eficientă.

Utilizarea numai a limbajului de asamblare pentru dezvoltarea unei aplicații complexe este neproductivă de multe ori, deoarece există și familii de microcontrolere cu CPU de tip CISC care au un număr foarte mare de instrucțiunii (x100) combinate cu moduri de adresare numeroase și complicate.

Totuși, nu trebuie uitat că la ora actuală muli din producătorii mari de microcontrolere oferă medii de dezvoltare software gratuite care includ programe asambloare gratuite. De asemenea, comunitatea utilizatorilor diverselor familii de microcontrolere a dezvoltat și ea, în timp, multe astfel de asambloare, care sunt disponibile ca freeware. Un interpretor este o implementare a unui limbaj de nivel înalt, mai apropiat de limbajul natural. Este de fapt un program rezident care, în acest caz, rulează pe o platformă de calcul de tip microcontroler. Caracteristic pentru execuția unui program interpretat, este citirea și executarea secvențială a instrucțiunilor (instrucțiune cu instrucțiune). De fapt fiecare instrucțiune de nivel înalt este interpretată într-o secvență de instrucțiunii mașină care se execută imediat.

Cele mai răspândite interpretare sunt cele pentru limbajele BASIC și FORTH. Limbajul BASIC este remarcabil prin simplitatea și accesibilitatea codului, dar (în varianta interpretată) și prin viteza mai mică de execuției, acesta fiind de altfel prețul plătit pentru utilizarea oricărui interpreter. Un exemplu de astfel de interpreter foarte răspândit și utilizat este PBASIC al firmei Parallax utilizat pentru programarea modulelor Basic Stamp. Este foarte ușor de învățat și poate fi utilizat suficient de productiv chiar de indivizi care au o experiența minima în domeniul programării.

Limbajul FORTH este popular datorită vitezei de execuție (apropiată de cea oferită de limbajul de asamblare) și posibilități construirii aplicaților din pârți reutilizabile. Este un limbaj mult diferit de limbajele clasice, codul este destul de greu de scris și de mai ales de citit (codul este greu lizibil). Totuși, odată stăpânit foarte bine (în timp!), poate fi foarte productiv în aplicații cum ar fi cele de control, în robotică, etc.

Marele avantaj al utilizării unui interpretor este dezvoltarea interactivă și incrementală a aplicației: se scrie o porțiunea de cod care poate fi testată imediat, instrucțiune cu instrucțiune; dacă rezultatele sunt satisfăcătoare se poate continua cu adăugarea de astfel de porțiunii până la finalizarea aplicației.

Un compilator combină ușurința în programare oferită de un interpretor (de fapt de limbajul de nivel înalt) cu o viteză mai mare de execuției a codului. Pentru aceasta programul, în limbaj de nivel înalt, este translatat (tradus) direct în limbaj mașină sau în limbaj de asamblare (urmând a fi apoi asamblat). Codul mașină rezultat are dimensiuni relativ mari (dar mai mici decât cel interpretat) și este executat direct, ca un tot, de microcontroler. De regulă codul generat poate fi optimizat fie ca dimensiune, fie ca timp de execuției. Se pot enumera compilatoare pentru limbajele: C, BASIC, Pascal, PL/M (Intel), Forth. Cele mai populare și utilizate sunt cele pentru limbajul C, un limbaj universal folosit atât pentru super computere cum ar fi Cray-ul, cât și de microcontrolerele de 4 biți. Este un limbaj puternic și flexibil, care deși de nivel înalt, poate permite și accesul direct la resursele sistemului de calcul. Un program bine scris generează un cod rapid și compact. Totuși, de multe ori, porțiunii critice din punct de vedere al vitezei de execuției, trebuie încă scrise în limbaj de asamblare. Există numeroase implementări, pentru majoritatea familiilor de microcontrolere. Cu anumite limitări legate de arhitectură și mai ales resursele microcontrolerului, asigură portabilitatea unei aplicații scrisă pentru un anumit tip (familie) de microcontroler la un alt tip (familie).

Pentru unele familii noi și foarte puternice de microcontrolere, datorită complexități setului de instrucțiunii și al numeroaselor moduri de adresare, este descurajată în mod explicit utilizarea limbajului de asamblare în momentul în care se programează aplic anii performante. Unitatea centrală a acestor noi microcontrolere a fost proiectată și optimizată pentru utilizarea unor limbaje de nivel înalt.

Funcție și de familia de microcontrolere în cauză, prețul unor astfel de compilatoare (de C) poate fi destul de ridicat, începând cu x100USD și ajungând la x1000USD. Există însă și variante freeware de compilatoare de C, cum ar fi gcc care este o portare a compilatorului omonim din Linux în lumea microcontrolerelor. Există implementări diferite ale acestui compilator care generează cod pentru familii diferite de microcontrolere (de exemplu AVR, MSP430, 68HC11,etc.).

a.) Simulatoarele

Un simulator este un program care rulează programul microcontrolerului -implementează un microcontroler virtual – folosind un sistem de calcul gazdă -host (cum ar fi un PC). Programul se poate executa pas cu pas, conținutului variabilelor și registrelor poate fi vizualizat și modificat. Reprezintă un punct de plecare atunci când se abordează un microcontroler, pentru familiarizarea cu resursele lui și cu limbajul de asamblare. Nu permite simularea în timp real a întreruperilor și, de regulă, programul rulează mai încet decât pe mașina reală. De regulă există mijloace pentru evaluarea vitezei de execuției a codului simulat (ca număr de cicluri mașină sau de stări). Ideal, un simulator ar trebui să permită și simularea completă a interacțiunii, cel puțin din punct de vedere logic, cu toate perifericele disponibile.

b.) Programele de depanare ("debbugers") rezidente

Sunt programe (denumite uneori în română și programe "monitor") care rulează -sunt rezidente- pe mașina țintă (microcontrolerul) oferind facilități de depanare similare simulatorului. Interfața cu utilizatorul este realizată prin intermediul unui sistem gazdă (PC) și/sau a unui terminal alfanumeric, conectate prin intermediul unui port serial. Utilizează o parte din resursele microcontrolerului: memorie de program pentru el însuși (de tip ROM) și memorie de date (RAM) pentru variabile proprii, memorie de program (de multe ori memorie externa de tip RAM, pentru a se putea încarcă și modifica cu ușurința codul!) pentru programul ce se depanează, un port serial pentru comunicanții cu sistemul gazdă, eventual întreruperi, etc. Se utilizează de regulă împreună cu un sistem de dezvoltare (sau evaluare), care este un sistem minimal realizat în jurul microcontrolerului pe care rulează depanatorul, dar având resurse suficiente pentru a permite testarea și depanarea aplicaților uzuale.

c.) Emulatoarele In Circuit (ICE-In Circuit Emulators)

Sunt cele mai eficiente mijloace de testare și dezvoltare și au fost mult timp cele mai complexe și mai costisitoare. Presupun existent unui hardware dedicat (și complicat!) care înlocuiește practic microcontrolerul (se conectează în locul acestuia în sistemul pentru care se dezvoltă aplicația), în același timp fiind disponibile toate facilitățile descrise anterior și altele suplimentare. Permit un control total al mașinii țintă (în timp real), fără a folosi nimic din resursele acesteia (la variantele cele mai costisitoare). Ele sunt realizate de cele mai multe ori ca un mijloc de testare și depanare de sine stătător, conectat la un PC prin intermediul unui port paralel, serial sau USB. Cele mai ieftine sunt disponibile în gama x100$, iar cele mai scumpe x1000$.

Variantele mai noi folosesc interfețele specializate de programare și depanare integrate la nivelul microcontrolerului, când ele există. Nu este necesară înlocuirea microcontrolerului de pe sistemul țintă, conectarea cu acesta făcându-se printr-un număr minim de interconexiuni. Exemple de astfel de interfețe ar fi: JTAG/ICE – In Circuit Emulation – la multe familii de microcontrolere, BDM (Background Debug Monitor) – pentru Freescale/Motorola. Existența acestui tip de interfeței face posibilă realizarea de emulatoare cu un preț de cost mult mai mic decât cele clasice.

d.) Simulatoarele de sistem

Reprezintă o categorie aparte de simulatoare destinate simulării cat mai complete a sistemului și a aplicației în ansamblu, cu alte cuvinte a microcontrolerului împreuna cu o dispozitivele hardware externe. Ele integrează de regula și un simulator SPICE.

Cele mai cunoscute sunt Proteus VSM (Virtual System Modelling) al firmei Labcenter Electronics și UMPS (Universal Microprocessor Program Simulator) al firmei Virtual Microdesign

Un astfel de simulator permite rularea aplicației (codului), în mod continuu sau pas cu pas și evaluarea în detaliu a modului cum aceasta (si microcontrolerul) interacționează cu hardware-ul extern. El permite ceea ce se numește co-simularea (Co-simulation): interacțiunea dintre software-ul microcontrolerului și dispozitivele electronice analogice sau numerice conectate cu acesta. Sunt bazate pe utilizarea unor modele avansate ale unor familii de microcontrolere precum și pe modelele SPICE ale dispozitivelor electronice. In cazul lui Proteus VSM există (versiunea 6.8 SP1) modele ale microcontrolerelor: ARM (LPC2000-Philips), PIC 10, PIC 12, PIC 16, PIC 18, AVR, 8051, 68HC11 și Basic Stamp. In cazul UMPS există modele ale microcontrolerelor: PIC12, PIC16, 8051, 68HC05, 68HC11, ST6200 (SGS) și COP8. Pentru fiecare model de microcontroler există un asamblor și un editor de legături integrat astfel că se poate face, în anumite limite, și dezvoltarea codului în asamblare. Pe lângă aceasta ele au asigurate și interfețe corespunzătoare pentru a se putea dezvolta codul cu medii de programare consacrate pentru familia respectivă de microcontrolere, folosind de exemplu un compilator C. Facilitățile de simulare a codului sunt similare celor întâlnite la simulatoarele deja menționate.

Pe lângă numeroasele dispozitive electronice discrete, circuite integrate analogice sau numerice (la Proteus VSM există peste 6000 de modele), circuite de memorie sau periferice, în categoria dispozitivelor externe se mai pot menționa și sisteme de afișare (LED, LCD), tastaturi matriciale sau butoane, relee, etc.

Ambele simulatoare menționate sunt produse comerciale, dar există și versiuni de evaluare, utilizabile cu limitările de rigoare.

e. Nucleele (sistemele de operare) de timp real (Real Time kernel, Real Time Operating System-RTOS)

Pe piața de software pentru microcontrolere exista și componente numite nuclee de timp real sau sisteme de operare în timp real (RTOS). Un astfel program de sistem de nivel profesional este o componenta software scumpă sau foarte scumpă, funcție de complexitatea lui, de accesibilitatea surselor programului, de familia de microprocesoare căreia ii este adresat, de modul in care va fi distribuit împreuna cu aplicația. Există însă și variante de RTOS, de mai mică complexitate, din categoria freeware sau shareware, care pot fi utilizate cu performante mulțumitoare.

Un sistem de operare în timp real facilitează crearea aplicaților așa zise de timp real, dar nu garantează și faptul ca ele chiar se vor executa în timp real, aceasta depinzând de modul în care este utilizat acest software la nivel de sistem..

Spre deosebire de un calculator cum este PC-ul, un sistem integrat (embedded system) este proiectat întotdeauna într-un anumit scop și are un cod care se execută aproape întotdeauna dintr-o memorie ROM, fiind de presupus că nu se modifică pe parcursul execuției aplicației. Astfel lucrurile sunt ușurate deoarece comportarea sistemului poate specificată complet încă din faza de proiectare. Din aceasta cauza, în cazul multora din aplic anii, multe probleme se pot rezolva în timp real și fără să se utilizeze un RTOS. Eseniană este pană la urmă calitatea și competent celui care programează aplicația.

Cap. 3 Proiectarea mecanica

3.1 Structura mecanica

3.1 Alegerea Sașiul

Primul aspect al design-ului este șasiul. Șasiul trebuie sa fie puternic, ușor și de dimensiuni mici.Șasiuri fabricate sunt disponibile, dar este cel mai bine dacă executam un sașiu propriu personalizat după cerințele robotului nostru.Gama de materiale folosite este foarte larga se pot folosi materiale simple ca lemnul ,textolitul, PVC,etc.sau materiale compozite ca filbra de sticla sau fibra de carbon cu rășini sintetice.Eu am ales o structura de rezistenta asemănătoare sașiului vehiculelor de teren executat in loc de profile de otel pătrate o structura metalica executat din țevi si placi de cupru imbinate intre ele prin cositorire.

Proiectarea sasiului

Pentru proiectarea sasiului am folosit programul de proiectare 3D Catia. Programul ofera utilizatorului o libertate mare in proiectare si vizualizare desenului in 3D si 2D.

Fig 3.1 Desenul 3D a sasiului

Fig 3.2 Randarea desenului 3D a sasiului

Desenul de executie a sasiului se afla la anexa 1

3.3 Executarea sasilui

Executarea sașiului din țevi si placi de cupru este un pic cam costisitor dar oferă proiectantului o libertate mare in proiectarea structurii de rezistenta, țevile de cupru sunt ușor de îndoite la orice forma si îmbinate intre ele prin cositorire putem obține o structura asemănătorare materialelor compozite de rezistenta mare si relativ usoara. Pentru a putea participa la concursuri de roboti de tip “line follower” la dimensionare trebuia sa țin cont de regurile impuse de concurs.

Țevile de cupru tăiate la dimensiunile din proiect si au fost îndoite cu un dispozitiv de îndoit țevi cu role executate pe strung.

Fig.3.3 Indoirea țevilor

După ce țevile au fost îndoite la dimensiunile potrivite urmează ansamblarea lor prin cositorire Este foarte important la operația de cositorire alegerea cositorului potrivit care sa-I confere lipiturilor o rezistenta mărita (locurile de îmbinare prin cositorire fiind punctele slabe in privința rezistentei al acestei structuri)si alegerea fluxului care sa permită curățarea perfecta a suprafețelor metalice si o aderenta buna a cositorului.

Fig 3.3 Inbinarea țevilor prin cositorire

Pentru fixarea celor doua motoare, roților, microcontorllerului,barei de senzori, circuitului de comanda a motoarelor si bateriei am cositorit pe sașiu plăcute de cupru găurite pe care am fixat cu șuruburi placi de plastic prelucrate la freza pentru fixarea componentelor, pentru evitarea scurtcircuitelor pe placă.

Fig 3.3 Sasiul executat

Proiectarea roților

Rotile la fel ca si sasiul au fost proiectate in progamul 3D Catia. Desenul de executie a rotilor se afla la anexa nr 2.

Fig 3.4 Desen 3D a rotiilor

Pentru materialul roților am ales poliamida pentru ca este ușor si foarte disponibil Dintr-o bara de poliamida ᴓ50mm am executat rotile prin strunjire executând doua canale pe suprafața de rostogolire a roților unde am montat doua inele de cauciuc pentru mărirea aderentei.

Fig 3.5 Rotile executate

3.3 Schema electrica

Fig 3.6 Schema bloc a sistemului electric

3.3.1 Alegerea motorului

În urma calculelor efectuate se alege motorul cu următoarele caracteristici:

cu trei poli induși;

tensiunea de alimentare: 1.5 la 3 V DC;

viteza de rotație: 8000 rotații / min.

Curent de mers în gol: 0.2 A;

Randament maxim: 5700 rotații / min. – 0.5 A;

Lungimea arborelui: 25 mm ;

Diametrul carcasei: 20 mm;

Diametrul axei: 2 mm.

3.2.2 Placa de dezoltare Arduino

Fig 3.7 Schma electrica a placii de dezvoltare Arduino

Placa de dezvoltare Arduino Uno are la bază microcontrollerul Atmega 328 care se poate programa prin portul USB al PC-ului. Programul se încarcă în microcontroller cu softul oferit gratuit de către Arduino (Arduino IDE). Placa este capabilă să culeagă informații din mediu, să citească senzori și să acționeze diferite elemente (LED-uri, motoare, etc.) în funcție de cum a fost programată.

Specifiațiile placii sunt următoarele:

Tensiune de lucru: 5V ;

Tensiune recomandată de intrare: 7V – 12V (stabilizată la 5V cu NCP1117);

Tensiune maximă de intrare: 20V ;

Număr de pini de intrare/ieșire (I/O): 14, din care 6 pot fi programați să furnizeze la ieșire semnal PWM;

Număr pini de intrare analogică: 6 (A0…A5);

Curent recomandat absorbit din pinii I/O: 20 mA, în cazul în care sunt folosiți toți pinii I/O;

Curent maxim absorbit dintr-un pin I/O: 40 mA;

Memorie flash (spațiu unde este scris programul): 32 KB din care 0.5 KB este folosită de bootloader;

SRAM: 2 KB;

EEPROM: 1 KB (ATmega328);

Oscilator: 16 MHz;

Introdus pentru prima dată în 2005 , Arduino a trecut prin numeroase iterații , revizii , și îmbunătățiri . Așa cum am scris acest lucru ,Echipa Arduino tocmai a lansat cel mai nou lor Versiunea :Arduino Uno Ca și predecesorii săi, Uno este un – InOne toate placă de dezvoltare. Acesta conține un Microcontroler Atmel AVR – în speciala ATmega328 , un port USB , unregulator de tensiune de cinci volti , și diverse electronice de suport .Iterații anterioare ale Arduino au inclus Duemilanove ( careînseamnă 2009 în italiană ) șiDiecimila ceea ce înseamnă 10.000 ( o referire la numărul de placi Arduino care au fost fabricate pana atunci.) .Uno , Duemilanove , și Diecimila sunt ceea ce s-ar putea fi numit modele principale sau de bord de bază . Acestea toate au dimensiuni comune, care este un PCB care măsoară 2-1/8 " de 2-3/4 " . Toate contin o mufa de alimentare pentru un 2.1 mm ( centru Conector baril pozitiv ) , precum și o mufă de tip USB pentru cuplat la un calculator gazdă .

O serie de 28 de pini permite conectarea dispozitive externe la Arduino . Pini sunt separate în trei grupe după cum se arată în Grupurile sunt :

putere , intrare analogică , și de intrare / ieșire digitală . Din 28 de pini , 20 sunt dedicate de intrare și de ieșire . Există șase pinii de intrare analogice care pot servi , de asemenea, ca scop general digitale I / O. Cele 14 pini digitale de intrare / ieșire sunt șase care poate fi utilizată pentru a genera PWM ( modulat de durata impulsului ) semnale ; acestea sunt utile ca de exemplu pentru controlul robotului mobil.

Fig 3.8 Schema bloc a comanda motoarelor

3.2.3 Comanda motoarelor cu L298N

Pentru comanda celor doua motoare al robotului am ales circuitul L298N care este proiectat sa comande 2 motoare de curent continuu cu tensiunea intre 3-30V DC si are o ieșire stabilizata de 5V DC pentru alimentarea circuitelor de comanda ,are o interfața de 3.3v MCU pe care comunica cu microcontrolerul asigurând un reglaj fin al vitezei si senului de rotație a motoarelor la o precizie apropiata al motoarelor pas cu pas cu 2,3 sau 5 faze cea ce este esențiala roboților.

Specificații

Circuit de comanda L298N cu puntea H dubla pentru motor cu curent continu, comanda cu circuit integrat

Banda larga de tensiuni de comandare de la 5-35V

Banda larga de curent pana la 2A maximum

Tensiunea logica a circuitului este intre 5-7V care este identica cu tensiune de aproximativ 5V al nivelului unu al circuitelor logice TTL care asigura o compatibilitate buna cu circuitele logice de comanda

Banda larga a curentului logic de operare 0-36mA

Banda tensiunii semnalului comanda de intrare

Nivelul minim -0.3V≤Vin≤1.5V

Nivelul maxim 2.3V≤Vin≤Vss

Banda disponibilă a semnalului de intrare

Nivelul minim -0.3V≤Vin≤1.5V(semnalul de control este invalid)

Nivelul maxim 2.3V≤Vin≤Vss(Semnalul de control este disponibil)

Consumul maxim 20W(la o temperatura de 750C)

Dimensiuni 55mm * 60mm * 30mm

Greutate 33g

Fig 3.9 Scema de legare a motoarelor la circuitul de comanda

3.2.4 Bara de senzori Pololu QTR

QTR – 8RC este un senzor de reflexie matrice conceput ca un senzor de linie , dar poate fi folosit ca un senzor proximitate de uz general sau senzor de reflexie . Modulul transmite opt semnale pentru opt emițători (LED infraroșu) și receptori ( fototranzistor ) perechi distanțate uniform la o distanta de 0,375 " ( 9.525 mm ).La utilizarea acestui senzori trebuie sa aplicam o tensiune pe pinul OUT.

Această metoda de măsurare are mai multe avantaje , mai ales atunci când este cuplat cu capacitatea modulului QTR – 8RC pentru a opri LED-urlei.

Nu necesita convertor analog digital

Sensibilitate îmbunătățită la supratensiune-ieșire de comanda analog

Citirea în paralel a mai multor senzori este posibil, cu cele mai multe microcontrolere

Permite optimizarea consumului de curent a LED-urilor

Ieșirile sunt toate independente , dar LED-urile sunt aranjate în perechi pentru a reduce la jumătate consumul de curent . LED-urile sunt controlate de un MOSFET de poarta înalta , permițând LED-urile să fie oprit prin setarea porții MOSFET la o tensiune scăzută . Ajustând tensiunea LED-lor ar putea fi avantajoasă pentru limitarea consumului de energie atunci când senzorii nu sunt în uz sau pentru a varia luminozitatea efectivă a LED-urilor printr-un control PWM .

Acest senzor a fost proiectat pentru utilizarea paralelă cu suprafața de detectat .

Are rezistente de limitare a curentului de funcționare la 5 v si prin legarea a doua pinuri este posibila si funcționarea la tensiunea de alimentare de 3.3v.

Consumul LED-urilor este foarte mic consuma un curent de 20-25 mA care duce la un consum total de doar 100mA al întregului circuit.

Schema a modulului este prezentată mai jos :

Fig.3.10 Scema de functionare a senzorului

Specificații:

Dimensiuni:73.7×12.5×3.12mm (fără pini instalați)

Tensiune de operare 3.3-5v

Tensiune de alimentare 100mA

Formatul de 8 semnale de ieșire intrare

Distanta optima de sesizare 3mm

Distanta maxima de sesizare 9.5mm

Greutate fără pini 3.09g

Senzorul QTR-8C are 8 intrări/ieșiri digitale identice este capabil sa furnizeze un semnal de ieșire identic cu nivelul logic unu si măsoară automat timpul de încetare a semnalului de ieșire.

Secvența tipica de citirea unei senzori este:

Pornirea unei LED infraroșu

Setarea intrări/ieșiri pe o ieșire la nivel logic unu

Timp de răspuns 10 µs

Impedanța mare la intrări/ieșiri

Măsurare timpului de trecere intre celui doua stări logice

Opărea automata a LED-urilor infraroșii (pentru scăderea consumului)

In funcție de microcontroler permite funcționarea senzorului pe 100 Hz ,la frecventa asta LED-urile sunt aprinse numai 10% din timpul de citire si 90% stinse reducând consumul de curent de la 100mA la 10mA.

3.2.5Conectori si terminali folosiți

Fig 3.11 Conectorul JST

Am utilizat un conector subțire de 8.1 mm înălțime si 3.8mm lățime după montare Distanta intre centrul terminalului fiind 2.5 mm care este identic cu distanta pinilor de pe placa de senzori Am folosit acest conector pentru ca e proiectat pentru a permite o conectare de înalta densitate a firelor pe palca imprimata Acest conector este compact sigur si ieftin

Alte avantaje a acestui terminal in afara de dimensiunea mica este confecționat din cupru cu acoperire de plumb si cositor pentru un contact electric mai bun si o rezistenta electrica cat mai mica Are ghidaje de polarizare pentru a preveni conectarea greșita Acest terminal are lamele lungi care asigura continuitatea tensiuni si curentului in totdeauna chiar in condiții de vibrații si tensionări extreme.

Fig 3.12 Desen de executie a terminalului

Specificații terminalului fabricat de JST (Japan Solderless Terminals) cod JST SHE-003T-P0.6L

Curentul maxim admis: 3A AC, DC (AWG#22)

Tensiunea maxima admisa: 250V AC, DC

Temperaturi de operare de la: -250C pana la +850C

Rezistenta contactului: maxim 10 miliohm

Rezistenta izolației conectorului: minim 1000MΩ

Cabluri aplicabile: De la AWG#32 pana la #22(0.0320-0326mm²)

Fig 3.14 Conector FCI

Pentru conectarea cablurilor electrice pe pinii deja existenți pe placa imprimata am folosit alt conectori de la FCI placa cu un strat foarte subțire de aur pentru a asigura un contact electric foarte bun rezistin la coroziune

• Curentul maxim: 3A AC DC ( AWG #22)

• Tensiune nominală: 250V AC, DC

• Interval de temperatură: -25 ˚ C -+85 ˚ C

• Rezistenta de contact:10 mΩ maxim

• Rezistența de izolație: 1.000 M Ω minim

•rezista la tenisunea de : 800V CA

• sârmă aplicabile: AWG # 32 la #22

• Grosimea aplicabilă a placii imprimante: 0,8 până la 1,6 mm

3.2.6 Servomecanismul Fitec fs 90

Fig 3.16 Desen de executie a servomecanismului

Pentru o manevrabilitate mai ușoara a robotului in afara de diferențialul electronic am ales sa folosesc si un servomecanism pentru dirijarea roatei din fata.

Spectificatiile servomecanismului:

Tensiunea de operare:4.8-6V

Viteza: 0.12sec\600

Cuplu:1.3Kg×cm

Greutate:9g

Marime: 23.2×12.5×22.0 mm

Roata de dirijare din fata esta asezat pe un ax cu doi rulmenti si este acitionat de servomecanismul Fitec fs 90.

Fig 3.17 Ansambulul rotii de dirijare din fata

3.2.7 Bateria Li-Po Gens

Este foarte important alimentarea cu energie electrica a robotilor mobili, de acea am ales o baterie Lithiu-Polimer.Aceasta tehnologie ofera o mare densitate a energiei, greutate mica, si durata de exploatare convenabila comparativ cu alte baterii.

Specificatii:

Tensiune: 11.1 V

Capacitate: 800 mA

Rata descarcare: 25 C

Curent maxim de incarcare: 4000 mA (5C)

Curent de incarcare recomandat: 800 – 2400 mA

Curent maxim de descarcare: 20 A

Dimensiuni: 57 x 30 x 23 mm

Masa: 68 g

Conector: JST

3.3 Programul pentru comanda robotului

Dupa instalarea drivere-lor, urmatorul pas este programarea placii Arduino.Se ruleaza programul "arduino", din mediul de dezvoltare (Fig3.18). Arduino se conecteaza la PC prin intermediul unui port serial. Primul pas pe care determinarea locatieie acest port-ului. Cea mai simpla cale este conectarea placii, dupa circa 30 de secunde – 1 minut, , iar apoi se deschide meniul "Tools -> Serial Port".Calculatorul ar trebui sa detecteze una sau mai multe intrari.. Se Deconectaza placa Arduino din portul USB Deschizand din nou meniul "Tools -> Serial Port". Acel port care a disparut este portul asociat placii Arduino. Sec onecteaza din nou placa Arduino la PC, se asteapta sa fie recunoscuta de PC, si apoi se selecteaza portul respectiv din meniul "Tools -> Serial Port Orice program Arduino are doua sectiuni. Sectiunea "setup", care este rulata doar o singura data, atunci cand placa este alimentata (sau este apasat butonul "Reset"), si sectiunea "loop", care este rulata in ciclu, atat timp cat este alimentata placa.

Fig 3.18 Programul Arduino

3.3.1 Codul sursa

#include <QTRSensors.h>

#define Kp 0 // se experimenteaza pentru a determina valoare lui Kp, începand de la valori mici , care face robot-ul să urmeze linia cu o viteză mica

#define Kd 0 // // se experimenteaza pentru a determina valoare lui Kd, incepand de la o viteza mica și marind treptat viteza se ajustateaza această valoare. Intodeauna Kp < Kd.

#define rightMaxSpeed 200 // viteza maxima a motorului din dreapta

#define leftMaxSpeed 200 // viteza maxima a motorolui din stanga

#define rightBaseSpeed 150 // aceasta este viteza cu care trebuie să se rotească motorul din dreapta atunci când robotul se deplaseaza pe linie dreapta

#define leftBaseSpeed 150 // aceasta este viteza cu care trebuie să se rotească motorul din stanga atunci când robotul se deplaseaza pe linie dreapta

#define NUM_SENSORS 8 // numarul de senzori folositi

#define TIMEOUT 2500 //timpul de asteptare de 2500µs ca iesirile senzorului sa ajunga la nivelul logic zero.

#define EMITTER_PIN 2 // emitorul infrarosu este controlat prin pinul digital 2

Urmeaza comanda motoarelor modulație de frecvență a impulsurilor (PWM)

#define rightMotor1 3

#define rightMotor2 4

#define rightMotorPWM 5

#define leftMotor1 12

#define leftMotor2 13

#define leftMotorPWM 11

#define motorPower 8

QTRSensorsRC qtrrc((unsigned char[]) { 14, 15, 16, 17, 18, 19} ,NUM_SENSORS, TIMEOUT, EMITTER_PIN); // Senzorul este conectat prin pinii digitali 14-19

unsigned int sensorValues[NUM_SENSORS];

void setup()

{

pinMode(rightMotor1, OUTPUT);

pinMode(rightMotor2, OUTPUT);

pinMode(rightMotorPWM, OUTPUT);

pinMode(leftMotor1, OUTPUT);

pinMode(leftMotor2, OUTPUT);

pinMode(leftMotorPWM, OUTPUT);

pinMode(motorPower, OUTPUT);

int i;

for (int i = 0; i < 100; i++) // calibrati senzorii prin alunecare senzorilor peste linie, sau puteți utiliza auto-calibrare.

if ( i < 25 || i >= 75 ) // se intoarce , la stânga și la dreapta pentru a expune senzorii la cele mai luminoase și cele mai întunecate citiri care pot fi întâlnite

turn_right();

else

turn_left(); */

qtrrc.calibrate();

delay(20);

wait();

delay(2000); // așteptați 2s pentru a poziționa robotul înainte de intrarea în bucla principală

#include "Servo.h"

Servo myservo;

int pos = 0;

include <Servo.h>

int servoPin = 9;

Servo servo;

int angle = 0; // Pozitia axului servomecanismului in grade

void setup()

{

servo.attach(servoPin);

}

void loop()

{

// scanare de la 0 grade pana la 180 de grade

for(angle = 0; angle < 180; angle++)

{

servo.write(angle);

delay(15);

}

//scanare de la 180 de grade la 0 grade

for(angle = 180; angle > 0; angle–)

{

servo.write(angle);

delay(15);

}

}

#include <Servo.h>

Serial.begin(9600);

for (int i = 0; i < NUM_SENSORS; i++)

{

Serial.print(qtrrc.calibratedMinimumOn[i]);

Serial.print(' ');

}

Serial.println();

for (int i = 0; i < NUM_SENSORS; i++)

{

Serial.print(qtrrc.calibratedMaximumOn[i]);

Serial.print(' ');

}

Serial.println();

Serial.println();

*/

}

int lastError = 0;

void loop()

{

unsigned int sensors[6];

int position = qtrrc.readLine(sensors); // se ea citiri calibrate, împreună cu poziția de linie, se referă la QTR Senzori Arduino Biblioteca pentru mai multe detalii privind poziția linie

int error = position – 2500;

int motorSpeed = Kp * error + Kd * (error – lastError);

lastError = error;

int rightMotorSpeed = rightBaseSpeed + motorSpeed;

int leftMotorSpeed = leftBaseSpeed – motorSpeed;

if (rightMotorSpeed > rightMaxSpeed ) rightMotorSpeed = rightMaxSpeed; // interzice motorului sa merga la viteza max

if (leftMotorSpeed > leftMaxSpeed ) leftMotorSpeed = leftMaxSpeed; // interzice motorului sa merga la viteza max

if (rightMotorSpeed < 0) rightMotorSpeed = 0; // menține turația motorului pozitiv

if (leftMotorSpeed < 0) leftMotorSpeed = 0; // menține turația motorului pozitiv

{

digitalWrite(motorPower, HIGH); // se avanseaza cu viteze adecvate

digitalWrite(rightMotor1, HIGH);

digitalWrite(rightMotor2, LOW);

analogWrite(rightMotorPWM, rightMotorSpeed);

digitalWrite(motorPower, HIGH);

digitalWrite(leftMotor1, HIGH);

digitalWrite(leftMotor2, LOW);

analogWrite(leftMotorPWM, leftMotorSpeed);

}

}

void wait(){

digitalWrite(motorPower, LOW);

Biblografie

[1]J. Faiz, S.H. Hossieni, M. Ghaneei, A. Keyhani, A. B. Proca,“Direct torque control of induction motor for electric propulsion system,” Electric Power System Research, vol. 51, pp. 95-101, Aug.1999.

[2]Introducere în Robotică, Țarcă R.C, Oradea 2003

[3]V. Dobrotă, Organe de mașini și mecanisme, Editura Didactică și Pedagogică – București 1996

[4] Liliana Vornicu-Albu Traductoare electrinice

[5]Viorel I.A., Szabó L., "Hybrid linear stepper motors", Ed. Mediamira, Cluj- Napoca, 1998.

[6] Bradley, D.A., Dawson, D., Burd, N.C., Loader, A.J., Mechatronics. Electronics in products and processes, Chapman&Hall, London, 1993.

[7]Brown, N.J., Brown, O.T.: Mechatronics “a Graduate Perspective”, Mechatronics 12 (2002), pp.159-167.

[8]Craig, K., Stolfi, F.: Teaching control system design through mechatronics: academic and industrial perspectives, Mechatronics 12 (2002), pp.371-381.

[9]Demian, T., Tudor, D., Grecu, E.: Mecanisme de mecanică fină, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1982.

[10]Dolga, V., Dolga, L.: Modelling and simulation of mechatronic systems, Revista „Mecatronica” 1/2004, pag. 34-39.

[11]Dumitriu, A., Dudiță, F., Ionescu, E., Diaconescu, D., Automate de control și deservire – Roboți industriali, Universitatea "Transilvania" Brașov, curs, 1986.

[12]Dumitriu, A., Bucșan, C., Demian, T.: Sisteme senzoriale pentru roboți, Editura MEDRO, București, 1996.

[13]Dumitriu, A.: Tehnica prelucrării informațiilor, Universitatea "Transilvania" Brașov, 1996, curs, ediția II.

[14]Dumitriu, A.; Zamfira, C.S.; Brădău, B.: Considerations Regarding Object Grasping Using Multi-Finger Devices, International Computer Science Conference, microCAD"2000, Miscolc, Ungaria, Secț. J, pag.35-40, ISBN 963-661-423-7.

[15]Catalog terminale JST

[16] http://www.arduino.cc/

[17] http://www.pololu.com/