PROIECTAREA ȘI REALIZAREA UNUI ROBOT MOBIL PENTRU SERVICII [307908]
UNIVERSITATEA „LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU
FACULTATEA DE INGINERIE
Specializarea: MECATRONICĂ
PROIECTAREA ȘI REALIZAREA UNUI ROBOT MOBIL PENTRU SERVICII
Coordonator științific:
Prof. Univ. Dr. Ing. Sever-Gabriel RACZ
Absolvent: [anonimizat]
2018
[anonimizat] a unui robot autonom de tuns gazonul. [anonimizat]: [anonimizat] 13 și 50 [mm], [anonimizat]. [anonimizat]. [anonimizat], pentru a [anonimizat], [anonimizat].
[anonimizat] – [anonimizat], urmate de concluzii și bibliografie.
Capitolul 1 [anonimizat]. Capitolul cuprinde și o definiție a [anonimizat].
În capitolul 2 a fost expusă o prezentare generală a [anonimizat], [anonimizat], actuatori și senzori.
[anonimizat] 3-lea capitol este dedicat studiului proiectării constructive a sistemului de locomoție, a sistemului de reglare a [anonimizat]. Tot în acest capitol a [anonimizat] V5, urmată de realizarea schemelor electrice și de alegerea metodei de navigare și a [anonimizat], la baza scrierii programului pe microcontrolerul platformei de dezvoltare Arduino.
[anonimizat] 4-lea, [anonimizat], pentru a ține pasul cu evoluția și progresul tehnologic.
Abstract
This paper addresses the defining aspects of constructively and functionally designing an autonomous electric lawn mower. [anonimizat]: the possibility of adjusting the depth of cut between 13 [mm] and 60mm, [anonimizat]; the robot needs to be flexible enough and autonomous in order to be able to adapt to different configurations according to the working environment; [anonimizat], [anonimizat].
[anonimizat], followed by conclusions and bibliography.
Chapter 1 briefly presents the history of technology and points to the most notable discoveries and achievements. Also, I gave the definition of the term mechatronics, starting from the awareness of its necessity and ending with the awareness of the crucial role of this interdisciplinary engineering field.
In chapter 2, I made a general presentation on the field of mechatronics, which comprises the classification of mobile robots, the current stage of knowledge about them, theoretical concepts regarding the types of locomotion, actuators and sensors.
The 3rd chapter is entirely about the study of constructive projection of the locomotion system, of the system of adjusting the depth of cut, but also of choosing the other hardware subassemblies and components required to action and control the robot. Also, in this chapter I shaped these systems in the CAD module of CATIA V5 software, followed by the making of the electric schemes and the choosing of the navigation method and the strategies related to those, which, afterwards, underlay the microcontroller programming of the prototyping platform Ardunio.
The 4th and the last chapter comprises the general conclusions that I reached to, following the study and the research, the capitalization of the results and the future possibilities of development to keep up with the technological evolution and progress.
Capitolul 1
1.1 Motivarea alegerii temei
Am decis să realizez și să proiectez un robot de tuns gazonul, întrucât acesta combină cunoștințele acumulate în domeniu (atât mecanice și electronice, cât și de programare). Realizarea acestuia a constituit o provocare, ținând cont de nivelul actual de dezvoltare impus pe piață de mărci cunoscute, dar și de tendința din ce în ce mai crescută de automatizare în acest domeniu de activitate.
Consider oportun să menționez și faptul că, în tot acest demers, pasiunea pentru robotică a îndeplinit principalul rol. Aceasta s-a dezvoltat și datoriă participării la diverse activități și concursuri extracurriculare: Concursul Național „RObotX”, „Eurobot” și „Line follower”.
1.2 Introducere
În multe domenii ale tehnicii poate fi observată o integrare între sistemele mecanice și electronice, integrare care a fost accentuată în mod special după anul 1980. Aceste sisteme s-au transformat din sisteme electromecanice, formate din componente mecanice și electrice distincte, în sisteme mecano-electrice integrate, echipate cu senzori, actuatori și microelectronică digitală, fiind numite sisteme mecatronice.
Evoluția sistemelor mecanice și electronice este legată de anul 1985, când apar sistemele mecatronice, și anume integrarea echipamentelor mecanice și electronice. Noile softuri vor determina funcțiile, vor apărea instrumente noi de proiectare și se vor vedea efectele sinergiei, cum ar fi roboții industriali, fabricația integrată cu calculatorul, controlul autovehiculelor (ABS, ESP).
În anul 1978 apare microcontrolerul, iar în anul 1980 apar computerul personal, sistemele de proces, senzorii și actuatorii.
Daca ar fi să o luăm cronologic invers, găsim sisteme mecanice pure înainte de anul 1900: motorul cu abur, pompa circulară, motorul cu combustie și mașina de scris mecanică. Astfel, se observă o creștere a acționărilor electrice începând cu anul 1870, când apare motorul electric de curent continuu urmat de motorul electric de curent alternativ. Acestea au determiant aparția sistemelor mecanice cu acționare electrică: releul electric, amplificatoare hidraulice, pneumatice, electrice, dar și sisteme mecanice cu control automat. Apariția tranzistorului a condus la dezvoltarea componentelor și sistemelor electronice. Menționez și apariția, în 1950, a sistemelor mecanice cu control electronic analog și control secvențial. Un exemplu relevant ar putea fi liftul cu comandă electronică. Odată cu anul 1950 apare computerul digital urmat de computerul de proces, din 1959, și de software specializat, capabil să prelucreze informația în timp real. Începând cu anul 1975, s-a facut trecerea de la sistemele mecanice cu control electronic la sisteme mecanice cu control digital continuu sau digital secvențial. În această perioadă apar agregate industriale complexe, mașini unelte, dar și roboți industriali.
Mecatronica reprezintă o treaptă naturală în evoluția proiectării inginerești contemporane. Dezvoltarea microcomponentelor, a componentelor incorporate, asociate cu tehnologia informației și a software-ului, au făcut ca – în ultima parte a secolului XX – mecatronica să devină un domeniu deosebit de important. Secolul XXI se așteaptă a fi un secol în care se vor dezvolta sistemele integrate bio-electronico-mecanice, computere cuantice, sistemele pico și nano dar și alte sisteme neprevăzute, ceea ce face ca viitorul mecatronicii să aibă un potențial deosebit.
Cuvântul mecatronică a fost folosit pentru prima dată în anul 1969 de către un inginer japonez, Tetsuro Mori, de la compania japoneză Yaskawa Electric Corporation. El a făcut și prima încercare de definire a acestuia. Mecatronică provine din Mecatronics, compus din Meca – mecanism și tronică – electronică. [9] Cu alte cuvinte, tehnologiile și produsele evoluate vor incorpora în mecanismele lor cât mai multă electronică, fiind imposibil să se stabilească unde se termină una și unde începe cealaltă.
Mecatronica este definită ca fiind combinația sinergetică dintre ingineria mecanică, electronică și programare. Scopul acestui câmp ingineresc interdisciplinar este studiul din perspectiva inginerească a sistemelor automate și servește controlului sistemelor hibrid-avansate. Este evident că studiul mecatronicii furnizează un instrument important pentru înțelegerea și explicarea proceselor moderne de proiectare și fabricare, pentru definirea, clasificarea, organizarea și integrarea numeroaselor aspecte. Cu timpul, noțiunea de mecatronică și-a schimbat sensul și a devenit știința inginerească bazată pe disciplinele clasice ale construcției de mașini, electrotehnicii, electronicii și informaticii. Scopul acestei științe este îmbunatățirea funcționalității utilajelor și a sistemelor tehnice, prin unirea disciplinelor componente într-un tot unitar. Mecatronica nu este același lucru cu automatica sau cu automatizarea producției. Acești termeni apar și în afara domeniului mecatronic, dar – în același timp – sunt și incluși în el. Așadar, mecatronica poate fi definită ca o concepție inovatoare a tehnicii de automatizare pentru nevoile ingineriei și educației.
Revoluția informatică – adică a doua revoluție industrială – a marcat saltul de la societatea industrializată la societatea informațională, generând un val de înnoiri în tehnologie și educație. Cei care au brevetat pentru prima dată cuvântul mecatronică au fost japonezii, la începutul deceniului opt din secolul trecut. Termenul de mecatronică a fost utilizat pentru a descrie fuziunea tehnologică dintre mecanică, electronică și informatică (Fig. 1.1).
Figura 1.2 Schema bloc – tehnologii
Mecatronica este rezultatul evoluției firești în dezvoltarea tehnologică. Tehnologia electronică a stimulat această evoluție și, astfel, dezvoltarea microelectronicii a permis integrarea electromecanică (Fig. 1.2). În următoarea etapă, prin integrarea microprocesoarelor în structurile electromecanice, acestea devin inteligente și – în acest mod – s-a ajuns la mecatronică.
În ceea ce privește conceptul de sistem mecatronic, acesta 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 (Fig. 1.3) scoate în evidență trei caracteristici ale unui sistem mecatronic, și anume: integrarea spațială (care reprezintă întrepătrunderea constructivă a subsistemelor mecatronice, electronice și de comandă), integrarea funcțională (ce face referire la software) și flexibilitatea (care constituie ușurința cu care sistemul poate fi adaptat sau se poate adapta singur la un mediu nou pe parcursul ciclului de funcționare). [2]
1.2.1 Clasificarea sistemelor mecatronice
Prin adăugarea și integrarea componentelor electronice și de comandă cu sistemele de calcul în structurile mecatronice se pot obține sisteme mecatronice corespunzătoare care pot fi clasificate în:
Componente mecatronice;
Mașini mecatronice;
Vehicule mecatronice;
Mecatronică de precizie;
Micromecatronică.
O altă variantă de clasificare a sistemelor mecatronice poate fi următoarea:
Sisteme mecatronice convenționale;
Sisteme micromecatronice;
Sisteme nanomecatronice.
Se poate observa că în această a doua clasificare apare o nouă clasă de sisteme mecatronice, și anume sisteme nanomecatronice. Dacă principiile de operare și teoriile fundamentale sunt aceleași pentru sistemele mecatronice convenționale și sistemele micromecatronice, respectiv mecanică și electromagnetism, sistemele nanomecatronice sunt studiate cu ajutorul unor concepte și teorii diferite, cum ar fi mecanica cuantică și nanoelectromecanica.
Cea de-a treia clasificare analizează sistemele mecatronice din punct de vedere al caracteristicilor comportamentale:
Sisteme mecatronice automate;
Sisteme mecatronice inteligente;
Rețele mecatronice inteligente.
Sistemele mecatronice automate sunt capabile să manevreze materiale și energie, comunicând cu mediul înconjurător și au capacitatea de autoreglare care le permite să reacționeze la schimbările previzibile ale mediului într-un mod programat anterior. Cele mai multe sisteme mecatronice fac parte din această categorie.
Sistemele mecatronice inteligente sunt capabile să realizeze un scop impus în condiții de incertitudine. Spre deosebire de sistemele mecatronice automate, care sunt programate pentru a se comporta într-un mod dorit, sistemele inteligente pot atinge un scop specificat într-un mod imprevizibil. Ele sunt înzestrate cu un înalt sistem de flexibilitate, fiind capabile să răspundă la schimbări frecvente ale mediului, fără a fi necesară o programare a lor. [2]
Rețelele mecatronice inteligente sunt capabile să răspundă asupra comportamentului lor prin negocieri între unitățile componente autonome.
Capitolul 2
2.1 Generalități ale roboților mobili
Roboții sunt un produs al spațiului mecatronic. Aceștia combină tehnologia computerelor digitale cu servotehnologia și controlul lanțurilor articulate. [25] Sunt ușor de reprogramat pentru a efectua o varietate de sarcini și trebuie să aibă senzori care să îi ajute să reacționeze și să se adapteze la condiții aleatorii. Ideea originală despre „roboți” era aceea de mașină universală capabilă de a îndeplini o varietate de operații secundare repetitive, imună la obdolescență (uzură morală). Aceste sisteme automate reprezintă primele materializări ale ideii înlocuirii omului în procesul muncii fizice. [26]
Denumirea de Robot a fost introdusă de către scriitorul ceh Karl Capek, în lucrarea sa Roboții universali ai lui Rossum (1921), plecând de la cuvântul ROBOTA (muncă, activitate de rutină). Traducerea acesteia în engleză a consacrat denumirea de robot pe plan internațional.[25]
Bazele roboților de astăzi au fost puse cu mult timp înainte. Primele modele de mașini pot fi numite automate (cu proveniență din cuvântul grecesc automatos: „care se mișcă singur”). Conform relatărilor, una dintre primele mașini automate, un porumbel propulsat care putea să zboare singur, a fost construită de către matematicianul grec Archytas. Aceste prime încercări aveau ca scop reproducerea mecanică a mișcărilor ființelor vii – oameni, animale. Încercări de acest fel au fost realizate, de-a lungul secolelor, de oameni de stiință și de ceasornicari. Mult mai aproape de perioada noastră, în secolul XX, odată cu dezvoltarea electrotehnicii, au apărut și primii roboți mobili, printre care sistemul Elmer și Elsie – construit de frații William (Grey și Walter), în anul 1948. El reprezenta o tricicletă capabilă să se îndrepte spre o sursă de lumină și să recunoască coliziunile din împrejurimi. În anul 1954 ia naștere robotul industrial. George Devol a patentat un sistem de transfer programat de articole, construit ulterior – împreună cu Joseph Engelberger – și denumit Unimate, fiind utilizat în montarea de iconoscoape pentru televizoare și mai apoi în industria automobilă, în anul 1961, pe linia de producție a General Motors. Programele pentru acest robot, sub formă de comenzi direcționate pentru motoare, au fost salvate pe un cilindru magnetic. Doar după 1980 au apărut pe piață roboți destinați unor domenii diferite față de cel industrial.
Unul dintre obiectivele esențiale ale roboticii este elaborarea roboților autonomi. Astfel de roboți ar putea efectua sarcinile de îndeplinit fără alte intervenții umane. Comenzile primite vor indica ce dorește utilizatorul, nicidecum modul în care robotul să execute comenzile. Roboții capabili să îndeplinească aceste operații vor fi echipați cu senzori de percepere a mediului înconjurător, aflați sub controlul unui sistem de calcul. [30]
Dezvoltarea roboților autonomi reprezintă un interes ridicat în majoritatea domeniilor de aplicații, printre care cel militar și cel medical, industriile alimentară și agricolă și, nu în ultimul rând, în domeniul casnic (roboți pentru servicii).
Tehnologiile necesare pentru obținerea unor roboți mobili, care să substituie anumite operații realizate de către om, pot fi dezvoltate doar printr-o asociere a mai multor domenii, ca cele ale senzorilor, controlului motoarelor, inteligenței artificiale, procesării semnalelor, sistemelor de calcul, electronicii, științei calculatoarelor și planificării traiectoriei. Mecanica stabilește aspecul robotului și mișcările posibile. Senzorii și actuatorii sunt folosiți la interacțiunea cu mediul, iar mecanismul de direcționare face ca robotul să-și îndeplinească cu succes obiectivul, evaluând informațiile primite de la senzori.
Robotul mobil este un complex capabil să realizeze diferite activități. Acesta reprezintă o îmbinare de componente cu senzori și servomotoare care acționează într-un spațiu real, numit mediu, și care este caracterizat de o serie de proprietăți fizice. În cadrul nivelului decizional, aceste componente trebuie să ia deciziile corespunzătoare realizării sarcinii robotului, pe baza informațiilor preluate din mediu. Acestea sunt furnizate de către senzori în interiorul nivelului de recunoaștere a obiectelor. După luarea deciziei, sarcina robotului este împărțită în sarcini elementare pentru fiecare componentă în parte. Împărțirea are loc în cadrul nivelului tactic. [1] Principala sarcină a unui robot este reprezentată de mișcarea acestuia în spațiu. Asadar, satisfacerea cerințelor depinde de cunoștințele pe care le are asupra configurației inițiale a spațiului de lucru, evitarea coliziunilor cu obiectele ce îl înconjoară și planificarea unei traiectorii optime. Sistemul de acționare cuprinde totalitatea motoarelor, a elementelor de execuție care produc mișcarea în funcție de deciziile sistemului de comandă. Prin urmare, robotul trebuie să fie capabil să planifice mișcările, în așa fel încât să nu lovească obstacolele mobile sau fixe din spațiul de lucru. Se recomandă realizarea de protecții mecanice și se utilizează senzori care măsoară distanța. Modificări pot apărea și din cauza forțelor de reacțiune, rezultate din contactul fizic al robotului cu obiectele din mediu. Vitezele mari de lucru au efecte dinamice, iar manipularea sau interacțiunea cu obstacolole pot fi riscante. Astfel, pentru sistemul de conducere sunt impuse anumite cerințe: generarea traiectoriilor pentru realizarea mișcărilor, conducerea în circuit închis, conducere compliantă. Navigarea se face, de obicei, prin determinarea poziției și orientării robotului în raport cu un sistem fix de coordonate.
Traiectoria poate fi planificată de robot, situație întâlnită la roboții inteligenți, sau poate să fie marcată pe suprafața de lucru. Sistemul de percepție este cel care colectează în timp real informația prelucrată de către unitatea centrală.
Clasificarea roboților
2.1.1.1 Clasificarea roboților conform I.S.O. [25]
După sursa de putere pentru acționare:
– Pneumatică;
– Hidraulică;
– Electrică.
După comanda mișcării:
Punct cu punct sau fără comandă a vitezei;
Comandă pe traiectorie continuă.
După modele de programare:
Prin învățare directă;
Prin generare de traiectorii;
Off-line.
După tipurile de senzori folosiți:
Detectori de poziție;
Logică liniară simplă;
Senzori cu semnale proporționale cu abaterea.
2.1.1.2 Clasificarea roboților mobili se poate face în funcție de mai multe criterii:
În funcție de dimensiune:
Macro-roboți;
Micro-roboți;
Nano-roboți.
Din punct de vedere al sistemului care le permite deplasarea în mediul în care acționează:
Roboți pașitori:
Bipezi;
Patrupezi;
Hexapozi;
Miriapozi.
– Roboți târâtori (care imită mișcarea unui nevertebrate);
– Roboți pe roți sau șenile;
– Roboți de formă sferică (cu deplasare prin rostogolire);
– Roboți săritori.
În funcție de mediul în care acționează:
Roboți tereștri (care se deplasează pe sol);
Roboți subacvatici (în apă);
Roboți zburători (în aer);
Roboți extratereștri (care se deplasează în spațiul cosmic sau pe suprafața altor planete).
În funcție de tipul comunicării:
Roboți telecomandați periodic;
Roboți telecomandați permanent de operatorul uman;
Roboți complet autonomi.
În funcție de destinație:
Roboți pentru cercetări științifice;
Roboți industriali;
Roboți speciali pentru utilizare în medii agresive;
Roboți domestici.
După gradul de spcializare:
Roboți speciali (realizează un singur tip de operație);
Roboți universali (realizează mai multe tipuri de operații).
2.2 Stadiul actual al cunoașterii
2.2.1 Clasificarea mașinilor de tuns gazonul
Actualmente, pe piață există un număr relativ mare de modele de mașini pentru tuns gazonul. În continuare, voi prezenta câteva tipuri de mașini de tuns iarba, pe care le-am clasificat în funcție de trei criterii importante: alimentare, propulsie și sistemul de tăiere.
Alimentare:
– Manuală: este cel mai simplu tip de mașină de tuns gazonul, deoarece nu necesită motoare, saci de colectare a ierbii sau alte angrenaje. Aceasta este compusă dintr-un cadru metalic cu două roți și este dotată cu un sistem de tăiere cilindric. Principalele avantaje sunt lipsa zgomotului și fiabilitatea în timp.
– Motor cu ardere internă: sunt modelele cele mai puternice, dotate cu motor în doi sau în patru timpi; ultima variantă este performantă în privința zgomotului.
– Electrică: aceasta folosește pentru antrenarea sistemului de tăiere un motor de curent alternativ sau de curent continuu. Astfel, mașinile electrice pot fi alimentate direct la priză, la tensiunea de 230 [V], prin intermediul unui cablu sau pot fi conectate la un acumulator de tip Li-Ion.
Sistemul de tăiere:
– Sistem de tăiere cilindric: acest tip de sistem de tăiere este întâlnit în principal pe modelele manuale și este compus dintr-un set de lame dispuse simetric pe un cilindru, care sunt antrenate într-o mișcare de rotație și care trec la o distanță mică de o a doua lamă fixă. Firele de iarbă sunt forfecate prin împingerea generată de lamele în mișcare.
– Sistem de tăiere rotativ: sistem alcătuit din două sau mai multe lame dințate, aflate în planuri verticale diferite, la o distanță relativ mică unul față de celălalt, acestea fiind suprapuse ușor în plan orizontal. Firul de iarbă este tăiat în zona în care lamele se întrepătrund.
Propulsie:
– Prin împingere: în cazul mașinilor de tuns gazonul manuale, dar, totodată, și în cazul anumitor mașini de tuns iarba electrice sau cu motor cu ardere internă. Motorul este responsabil doar cu rotirea lamelor de tăiere în timp ce deplasarea în plan orizontal se face prin împingerea de către operatorul uman.
– Autopropulsată: prin intermediul unei curele de transmisie, mișcarea de rotație generată de motorul electric sau de motorul cu ardere internă este transmisă sistemului de locomoție. Pentru a crește cuplul și a reduce turația se folosește un reductor de turație. În cazul roboților de tuns gazonul, sistemul de locomoție este separat de sistemul de tăiere, fiecare fiind dotat cu motor/motoare separate.
– Tractată: mașină care foloșeste propulsia altui mijloc de transport specializat.
Caracteristici tehnice generale
Suprafața de gazon recomandată;
Puterea motorului (exprimată în [Cp] sau în [W]);
Turația în gol a lamelor de tăiere;
Înălțimea de tăiere;
Lățimea de tăiere (este un parametru fix și determină lățimea pe care iarba va fi tăiată la o singură trecere);
Funcția mulching (dispozitiv de mărunțire și aruncare a ierbii tăiate în lateral);
Sistemul de colectare a ierbii tăiate;
Capacitatea sacului colector;
Evacuarea laterală a ierbii tocate;
Indicatorul nivelului de umplere a sacului colector;
Indicatorul nivelului de încarcare a bateriei și de umplere a rezervorului de combustibil;
Nivelul zgomotului;
Greutatea și dimensiunile;
Sistemul de siguranță (butonul de oprire de urgență, frână pe mâner, sistem giroscopic pentru sesizarea ridicării mașinii de pe suprafața de lucru, protecție antifurt);
Protecție în caz de suprasarcină a motorului.
Husqvarna Automower
Mașina de tuns gazonul Automower (Fig. 2.1) este un produs marca Husqvarna, lider mondial în domeniul tunderii automate a gazonului. Aceasta este disponibilă în mai multe variante constructive: Automower 105, Automower 310 și Automower 450X. Diferența între aceste modele constă în suprafața de lucru (600 [mp], 1000 [mp], respectiv 5000 [mp]), dar și în caracteristicile tehnice și funcțiile disponibile. [16]
În continuare, o să detaliez modelul premium, dat fiind faptul că acesta dispune de toate tehnologiile disponibile și implementate de firma producătoare.
Figura 2.1 Husqvarna Automower 450X [16]
Menținerea unui gazon sănătos nu înseamnă multă muncă pentru Husqvarna Automower. Acest concept de automatizare efectuează sarcina pentru utilizator, fără supraveghere permanentă. Un tipar aleatoriu de deplasare permite ca Automower să găsească orice colț din grădină. Acesta poate să gestioneze cu ușurință condițiile de umezeală și vreme ploioasă, dar și terenul dificil, inclusiv pante, gropi și chiar obstacole temporare, precum conurile și fructele. Automower este atât de silențios, încât poate funcționa și pe timp de noapte, fără să deranjeze pe cineva. [16] Prin intermediul aplicației de tundere, utlizatorul poate avea acces și control total asupra orelor de funcționare.
Robotul schimbă anumite reguli vechi, impunând unele noi cu performanțe vizibile.
Nu este necesară tăierea în linii drepte:
Față de mașinile tradiționale de tuns iarba, robotul Automower tunde în tipare neregulate, un fapt benefic ierbii. Nu este greșit a se tunde iarba în linii drepte, dar nu este un lucru necesar pentru a se obține un rezultat perfect. Greutatea redusă face ca acesta să nu lase dungi pe gazon. Mașina se poate orienta prin pasaje înguste și poate chiar să detecteze zonele de gazon în care iarba a crescut mai mult. Rezultatul este un gazon complet uniform.
Fără restricții din cauza vremii sau a perioadei din zi:
Rezultatele sunt la fel de satisfăcătoare, chiar și în cazul în care mașina tunde pe vreme ploioasă sau noaptea. Aceasta este dotată cu GPS, făcând posibilă programarea orelor de lucru și delimitarea zonelor de tundere.
Nu este necesară colectarea ierbii tunse:
Acest lucru este posibil, pentru că robotul tunde iarba puțin câte puțin și frecvent. Discul de tăiere retează mărunt iarba în bucăți abia vizibile. Acesta este, în mod cert, cel mai „prietenos” mod de a tăia iarba. În timp ce tunderea obișnuită taie, de regulă, câțiva centimetri de iarbă – care este apoi colectată și îndepărtată – tăierile efectuate de Husqvarna Automower au doar câțiva milimetri lungime. Firele de iarbă vor cădea pe sol, vor forma un strat protector și vor fertiliza gazonul. [16]
Protecție antifurt:
Robotul de tuns gazonul este protejat în câteva moduri împotriva tentativelor de furt. Un cod PIN este necesar pentru orice intervenție. O alarmă va suna în cazul în care mașina de tuns este oprită sau ridicată. Mașina este inutilă în cazul furtului, deoarece stația de încărcare este construită în mod unic, astfel că, dacă este raportat furtul, robotul este blocat și localizat prin GPS.
Delimitarea spațiului de lucru:
Husqvarna Automower funcționează în interiorul unui gard creat de un cablu de delimitare. Dacă bateriile se descarcă, mașina este capabilă să revină la stația de încărcare în mai multe moduri: prin urmărirea firului care delimitează suprafața de tundere, prin unde radio (Fig. 2.7) sau prin crearea unei traiectorii de deplasare în funcție de coordonatele GPS (Fig. 2.6). Instalarea firului care împrejmuiește spațiul de lucru se face la nivelul solului sau sub un strat superficial de pământ. În cazul montării a două fire unul lângă celălalt, acestea se anulează reciproc, nemaifiind o barieră pentru robotul autonom (Fig. 2.5). [16]
Automower este capabil să tundă iarba pe teren accidentat, dar și înclinat cu până la 45% (24 °) (Fig. 2.8).
Bosch Indego
Robotul dezvoltat de compania Bosch (Fig. 2.9) impune standarde noi de performanță prin tehnologia Logicut. Sistemul inteligent de navigare măsoară grădina și calculează ruta potrivită pentru a realiza o tundere ordonată pe rânduri paralele. Este dotat cu senzori, prin intermediul cărora evită obstacolele din calea lui și se deplasează către încărcător în mod autonom. La fel ca în cazul modelelor realizate de către concurență, iarba rezultată în urma procesului de tundere nu este adunată, ci servește ca îngrășământ, înălțimea ei fiind mică. [15]
Poate fi utilizat pe orice vreme, poate funcționa pe pante cu o înclinare de 35% și este dotat cu sisteme de siguranță, precum sistem de alarmă și cod PIN. Are o interfață „prietenoasă” cu utilizatorul, după instalare fiind suficiente doar câteva operații simple pentru a-l pregăti de lucru. Este lipsit de emisii nocive, protejând astfel mediul înconjurător. Robotul Indego este disponibil pe piață în mai multe modele. Principalele caracterisici ale acestuia sunt prezentate în Tabelul 1:
Tabel 1 Caracteristici Bosch Indego
Viking iMow
Tabel 2 Caracteristici Viking IMow
Robotul autonom de tuns gazonul dezvoltat de firma Viking (Fig 2.10) are performanțe remarcabile în ceea ce privește suprafața de lucru și timpul efectiv de funcționare. Dacă umezeala depășește o anumită valoare maximă, robotul se oprește din a tunde iarba și se deplasează în mod autonom către stația de încărcare, numită și stație de andocare. O funcție aparte este posibilitea de încărcare rapidă, în situația în care robotul consideră că este necesară continuarea procesului de tăiere. În caz contrar, încărcarea se realizează în modul econom. Consola, componenta prin intermediul căreia se realizează comanda, este detașabilă de corpul robotului, dând posibilitatea efectuării programului dintr-o poziție confortabilă [19]. O altă funcție importantă prevede ca la fiecare oprire a cuțitului de tăiere să se inverseze sensul de rotație, fapt care determină o uzură egală a tăișului. Este dotat cu un sistem inteligent antifurt și cu roți cu profil de tracțiune care să îl poată face utilizabil în zone cu vegetație deasă și pe terenuri accidentate cu înclinații de până la 35%. Roțiile dispun și de funcția de autocurățare. Principalele caracterisitici ale robotului de tuns gazonul Viking IMow sunt redate în Tabelul 2.
2.3 Tipuri de locomoție
Procesul care îi permite robotului mobil să se deplaseze în mediu prin acționarea anumitor forțe asupra sa se numește locomoție. Studiul acțiunii forțelor se numește dinamică, iar studiul formulelor matematice asociate mișcării, fără a considera forțele fizice, se numește cinematică. [6]
În atingerea scopului propus, prin funcția robotului mobil, sistemul de locomoție are un rol esențial. Varianta constructivă (roată, șenile etc.), dar și aspectele legate de orientare, manevrabilitate sau gradul de mobilitate contribuie, de asemenea, la îndeplinirea scopului.
Construcția robotului poate să fie în legătură directă sau indirectă cu solul:
– cu legătură directă, la roboții mobili cu șenile, roți, picioare.
– fără legătură directă, la roboții submersibili cu propulsie proprie.
Odometria este tehnica ce utilizează datele senzorilor de mișcare pentru a estima mișcarea corpurilor în unitatea de timp. Metoda este folosită pentru a afla poziția robotului mobil în spațiul de lucru. Luând în considerare situația ideală, la fiecare rotație a roții robotului, se va parcurge o distanță egală cu 2πr, unde r este considerată raza roții. În realitate, deplasarea este influențată de forțele de frecare și alunecare ce determină apariția erorilor de estimare a poziției.
Orice robot mobil are trei grade de libertate într-un plan, și anume: o poziție față de un punct fix, dată în coordonate x, y, dar și o orientare θ față de axa orizontală, de obicei, axa Z. Aceste trei coordonate (x, y, θ) formează copoziția robotului mobil, variabila prin care se controlează sistemul de locomoție. Copoziția poate să fie relativă sau absolută.
Robotul nu poate avea control total asupra celor trei variabile. Astfel, pentru a se deplasa dintr-o poziție inițială într-o poziție finală, acesta trebuie să efectueze mai multe manevre. Poziția inițială se notează cu (xi, yi, θi), iar poziția finală este marcată cu (xf, yf, θf).
De cele mai multe ori, pe lângă roțile motoare mai există și alte roți (adiționale, ajutătoare) sau puncte de contact, cu scopul menținerii robotului în echilibru. Prin intermediul acestora se creează un contact herțian între robot și suprafața pe care rulează, nefiind, însă, luate în considerare în ecuațiile cinematice.
Pentru ca un sistem de locomoție să fie cât mai performant, alinierea dintre axele de rotație a roților motoare și a axelor encoderelor trebuie să fie precisă. Dacă sistemul de locomoție este modular, modificarea configurației robotului nu este un inconvenient.
Există diferite sisteme de locomoție ce pot fi folosite pentru deplasarea roboților mobili, cele mai importante fiind ilustrate în continuare.
Sistem de locomoție cu șenile
Sistemul de deplasare cu șenile (Fig. 2.11) este realizat din următoarele componente:
Roată motoare 1;
Roată de întindere 2;
Roată purtătoare 3;
Șenilă 4.
Roata motoare 1 este o roată dințată conducătoare ce are rolul de a angrena lanțul articulat, șenila 4. În situația de față, aceeași roată asigură întinderea și ghidarea șenilei.
Roțile purtătoare 3 formează punctele de rulare ale robotului mobil. Acestea se găsesc pe partea inferioră a lanțului șenilei (ramura întinsă care vine în contact cu suprafața terenului), nu au un număr predefinit și depind de masa și de sarcina pe care trebuie să o manipuleze.
Mai multe eclise de cauciuc cu inserție metalică, montate cu bolțuri formează șenila 4. Pe partea interioară a șenilei sunt dinții care fac posibilă angrenarea cu roata motoare, iar pe partea exterioară sunt prevăzute proeminențe ce contribuie la realizarea aderenței la sol.
Roata motoare este antrenată de către un motor electric de curent continuu. Sistemul de locomoție cu șenile permite efectuarea de viraje stânga/dreapta, deplasarea robotului înainte și înapoi, dar și rotația în planul orizontal. Șenila formează o cale de rulare care nu se termină și, totodată, îi permite robotului să se deplaseze pe suprafețe înclinate.
Sistem de locomoție omnidirecțional cu roți universale simple și duble
Roata omnidirecțională universală este alcătuită din mai multe role pasive, ce sunt dispuse pe circumferința butucului roții. Acestea se rotesc în jurul axelor proprii, care la rândul lor formează un unghi de 90° cu axa de rotație a roții. Robotul va suferi vibrații pe direcția verticală, din cauza spațiilor goale dintre două role consecutive. Această problemă are soluții multiple. Una dintre ele poate fi roata omnidirecțională universală dublă (Fig. 2.11), care dispune de un contact permanent cu suprafața de sprijin. Punctele de contact nefiind continue determină apariția vibrațiilor orizontale.
Roata universală omnidirecțională (Fig. 2.10) are trei grade de libertate: rotația în jurul axei proprii, rotația în jurul axei verticale ce trece prin punctul de contact cu solul și rotația rolelor în jurul axelor proprii. [10]
Avantajul acestora este manevrabilitatea, iar dezavantajul principal constă în dificultatea de a controla mișcarea.
Sistemul de locomoție omnidirecțional cu roți suedeze
Similară roții universale, roata Mecanum de origine suedeză, cunoscută și ca roata Ilon după numele inventatorului său, Bengt Erland Ilon, a fost patentată de compania Mecanum AB. Ulterior a fost cumpărată de Us Navy, datorită tehnologiei viabile care o face potrivită pentru spații strâmte. Contactul dintre roată și suprafața pe care se deplasează robotul este permanent, iar rolele sunt așezate în așa fel încât axele acestora sunt înclinate cu un unghi oarecare față de axa centrală a roții. De obicei, acest unghi are valoarea de 45°, dar poate să aibă și alte valori.
Avantajul acestei roți (Fig. 2.14) este că se poate deplasa cu frecări foarte mici pe orice direcție, chiar dacă este antrenată în jurul axei sale principale.
Sistem de locomoție Ackerman
Sistemul de locomoție Ackerman a fost dezvoltat de către germanul Georg Lankensperger în 1817 și a fost patentat de agentul său, Rudolph Ackermann, în Anglia. La început, a fost folosit pentru vagoanele trase de cai. Este întâlnit la toate structurile mobile cu două sau patru roți și are avantajul că roțile din față se pot roti individual, iar distanța față de centrul instantaneu de rotație (CIR), aflat pe dreapta perpendiculară ce trece prin axele roților din spate, se modifică.
În cadrul acestui sistem de locomoție, robotul se rotește în jurul unui punct localizat pe dreapta perpendiculară ce trece prin mijlocul roților de pe spate, la o distanță egală cu raza (R), dată de următoarea relație: [4]
(2.1)
Când cea de-a doua roată motoare se rotește cu unghiul α2, robotul se găsește în mișcare de rotație.
(2.2)
Sistem de locomoție de tip sincron
Sistemul sincron poate avea mai multe configurații. Una dintre cele mai întâlnite presupune existența a trei roți motoare care sunt așezate pe vârfurile unui triunghi echilateral. Acesta se caracterizează prin faptul că toate roțile se rotesc concomitent și cu același unghi θ față de centrul lor geometric.
Un robot cu mișcare de tip sincron trebuie să folosească două motoare de curent continuu pentru a se deplasa înainte și un al treilea motor care să poată roti toate roțile în aceeași direcție, uniform și paralel una față de cealaltă.
Robotul cu sistem de locomoție de tip sincron, ce se deplasează cu viteza v și care se rotește cu viteza unghiulară ω, are următoarele ecuații cinematice caracteristice:
(2.3)
(2.4)
(2.5)
Sistem de locomoție de tip triciclu
Acest sistem de locomoție are în structura sa trei roți, dintre care două sunt motoare, iar cea din față asigură direcția și deplasarea robotului (Fig. 2.18).
În situația în care robotul are viteza de deplasare v și roata din față poziționată la un unghi α, acesta se va roti cu viteza unghiulară ω, la distanța R pe direcția linii perpendiculare care trece prin axa roților din spate. Pentru a determina raza și viteza unghiulară ω, se vor aplica următoarele formule de calcul:
(2.6)
(2.6)
Se propun două cazuri speciale pentru analiză:
Când α=0, robotul se deplasează înainte, iar poziția lui este dată de următoarea ecuație cinematică:
(2.7)
Când roata motoare este la un unghi de +/- 90°, robotul se întoarce pe loc, iar poziția va fi dată de ecuația de mai jos (2.7). Dacă roata nu poate fi rotită la unghiul specificat, din motive constructive, orientarea robotului nu este posibilă fară a i se schimba poziția.
(2.7)
(2.8)
Sistem de locomoție diferențial
Unul dintre cele mai simple sisteme de locomoție, sistemul diferențial, se bazează pe existența a două roți motoare acționate individual și poziționate atât pe o parte, cât și pe cealaltă a robotului. Cele două roți se află pe o axă comună, în planul orizontal, fixă pe placa de bază a robotului (șasiu). [4]
Un robot cu sistem de locomoție diferențial poate să-și schimbe poziția, variind viteza roților fără a fi nevoie de o roată motoare adițională pentru rotație. Așadar, vitezele diferite ale roților duc la traiectorii circulare față de un centru instantaneu de rotație. Mișcarea rectilinie în spațiul de lucru este dată de viteza egală a celor două roți (Fig. 2.19).
Relațiile dintre parametrii de control și comportamentul sistemului în spațiul stărilor sunt date de cinematică. [14]
Prin urmare, vitezele celor două roți trebuie să corespundă următoarelor relații.
(2.9)
(2.10)
(2.11)
(2.12)
(2.13)
Unde: Vs – viteză roată stânga;
Vd – viteză roată dreapta;
R – distanța dintre centrul instantaneu de rotație (CIR) și mijlocul axei celor două roți;
– viteza unghiulară;
L – distanța dintre cele două roți;
– unghiul de rotație.
Prin rezolvarea sistemului de ecuații de mai sus, vom ajunge la următoarea soluție:
(2.14)
Din relația (2.14) se determină:
Mișcarea rotațională. Raza (R) are valoare finită, mișcarea de pivotare în jurul punctului A de coordonate (x, y) este efectuată dacă și numai dacă raza tinde spre zero, iar vitezele sunt egale și de sensuri diferite.
Mișcarea rectilinie. În această situație, raza (R) tinde spre infinit, iar vitezele sunt egale și de același sens.
Pentru a atinge multiple puncte din spațiul de lucru al robotului, se dau valori diferite vitezelor . Cu ajutorul ecuațiilor cinematice directe, se vor determina punctele ce pot fi atinse de robot prin modificarea parametrilor de control.
(2.15)
Prin ecuația de mai sus este ilustrată mișcarea de rotație a robotului la o anumită distanță R, considerată mijlocul dintre axa celor două roți și centrul instantaneu de rotație (CIR).
Se impun următoarele condiții (x0, y0, θ0) și se integrează ecuația (2.15), determinându-se poziția robotului la un moment dat. Pentru aceasta se ține cont și de parametrii de control vd(t) și vs(t).
(2.16)
Vitezele vs și vd, ce constituie parametrii de control, pot fi determinate prin intermediul ecuațiilor inverse ale robotului. Se propun două cazuri speciale pentru analiză:
În prima situație, vs, vd = v, relația matematică de mai sus se reduce la:
(2.17)
Așadar, pentru a genera deplasarea robotului din (xi, yi, θi) în (xf, yf, θf), θg≠ θi, se poate utiliza legea a doua de control (vs = – vd), până când θf = θi și se continuă prin a deplasa robotul, folosind prima lege (vs = vd).
În cea de-a doua situație, vs=-vd=v, iar ecuația va deveni:
(2.18)
2.4 Clasificarea motoarelor
Există o gamă largă de tipuri de motoare care sunt folosite pentru acționarea roboților mobili și nu numai. În functie de sursa principală de energie, acestea se pot clasifica în:
Electrice: des întâlnite în domeniul roboticii; prezintă o precizie ridicată, dimensiuni reduse și performanțe sporite. Dintre acestea amintim:
Motorul de curent continuu cu perii;
Motorul de curent continuu fară perii;
Motorul pas cu pas.
Pneumatice: efectuează lucrul mecanic printr-o mișcare rectilinie, în cazul motoarelor liniare, și sunt folosite datorită forțelor mari pe care le dezvoltă în comparație cu motoarele electrice. După tipul constructiv, se pot clasifica în:
Motor liniar cu simplu efect:
Cu revenire cu arc;
Cu revenire sub acțiunea sarcinii;
Motor liniar cu dublu efect:
Cu tijă unilaterală;
Cu tijă bilaterală;
Motor liniar în tandem:
Cu amplificarea forței;
Cu cursă în două trepte;
Hidraulice: mașinile hidraulice sunt convertizoare de energie care transformă energia mecanică în energie hidraulică (generatoare hidraulice sau pompe) sau energia hidraulică în energie mecanică. [24]
Se deosebesc în funcție de tipul energiei hidraulice produsă sau consumată:
Mașini hidrostatice (volumice) la care energia potențială predomină;
Mașini hidrodinamice (centrifugale) la care energia cinetică a lichidului predomină.
Tipuri de motoare liniare hidraulice:
Motorul electric de curent continuu cu perii
Motorul electric de curent continuu cu perii (Fig. 2.21), cu comutație internă, este alimenat de la o sursă de energie care generează un curent continuu. Acesta este alcătuit din două elemente constructive: stator și rotor. În stator se găsesc înfășurarea de excitație și un set de magneți permanenți sau electromagneți alimentați la sursa de energie.
Principiul de funcționare este următorul: înfășurarea rotorului se alimentează, ceea ce face ca în jurul lui să se genereze un câmp magnetic. Polul nord al rotorului este respins de polul nord al statorului către dreapta, iar polul sud al statorului este atras către acesta. În urma deplasării, se generează un cuplu mecanic motor ce menține mișcarea de rotație. Rotorul continuă să se rotească, iar când ajunge în poziție orizontală, colectorul electric, cel care comută sensul curentului continuu, inversează sensul acestuia prin înfășurarea rotorului. Acest fapt conduce la schimbarea polilor câmpului magnetic produs de către rotor, ajungându-se la poziția relativă inițială, de unde procesul este reluat. [21]
Motoarele de curent continuu cu perii se pot comanda în tensiune, deoarece viteza motorului este proporțională cu sursa de tensiune atunci când sarcina nu este variabilă. Astfel, pentru a comanda momentul motorului, în sistemele de mare performanță se utilizează reglajul curentului în buclă. Pentru operarea bidirecțională, curentul rotorului trebuie să fie inversat, pentru a respecta câmpul magnetic al statorului. [11]
Motoarele de curent continuu pot fi cu excitație în derivație (a), cu excitație în serie (b), cu excitație mixtă (c), conform (Fig. 2.22).
Motorul electric de curent continuu fără perii
Motorul de curent continuu fară colector (fără perii), Brushless DC, are comutația căilor de curent necesară învârtirii rotorului facută electronic. Așadar, față de motorul de curent continuu cu perii, la care colectorul și periile alcătuiesc un dispozitiv complet, acesta nu efectuează o comutare electromecanică. Rotorul este alcătuit din bobine, iar statorul este alcătuit dintr-un magnet permanent.
Mișcarea se obține prin rotirea câmpului magnetic, la fel ca în cazul motorului de curent continuu cu perii, deoarece nu există o comutație mecanică. Aceasta face ca motorul de curent continuu fară perii să aibă acționarea mai complexă. Funcția comutatorului în cazul motorului de curent continuu este preluată de către senzorii care sesizează când magnetul permanent este în dreptul lor și comandă atât schimbarea stării acestuia, cât și excitația bobinei prin circuit logic, iar apoi prin circuitul de alimentare.
Există două tipuri de motoare fără perii:
Trapezoidal: caracteristica trapezoidală îi dă și denumirea; în acest mod, se urmărește reducerea pulsațiilor momentului prin liniarizarea (aplatizarea) caracteristicii.
Sinusoidal: poate fi numit și servomotor de curent alternativ și are caracteristica nemodificată.
Principalul avantaj al acestui tip de motor este comutarea fără scântei de perii care, în cazul motorului de curent continuu, este un factor de distorsiune ce introduce impulsuri parazite în sens invers, afectând alți consumatori aparținători aceleiași rețele. Pe de altă parte, durata de viață a acestuia este mare, pentru că nu apare uzura mecanică a periilor grafitoase. Este eliminată și limita de viteză dată de încălzirea periilor.
Sesizarea poziției rotorului aflat în mișcare de rotație, dar și măsurarea turației (numărului de rotații pe unitatea de timp) se fac folosind următoarele metode:
Senzori Hall;
Senzori optici;
Comutare nesenzorizată.
În cazul comutării nesenzorizate, poziția instantanee a rotorului se percepe utilizând contratensiunile induse în bobinele statorului. Acestea sunt modificate și valorificate de circuit. Problema principală apare la pornirea motorului, deoarece tensiunile induse în bobine pot fi folosite doar după ce rotorul ajunge la o anumită turație. Astfel, motoarele de curent continuu fară perii, la care comutarea sensului curentului este nesenzorizată, nu au control al poziției pe perioada pornirii.
Motorul pas cu pas
Motorul pas cu pas este un dispozitiv electromecanic care convertește impulsurile electrice în mișcări mecanice discrete. [12]
Caracteristicile impulsurilor electrice influențează rotația motorului. Direcția de rotație este în legătură cu secvența în care sunt aplicate impulsurile, iar mișcarea unghiulară depinde de numărul acestora.
Rotația unghiulară a axului motorului la aplicarea unui impuls de comandă este un pas.
Un pas unghiular se măsoară în grade și este rotația axului motorului la fiecare pas. Numărul de grade la care se rotește axul motorului după un impuls este caracteristic fiecărui tip de motor.
Motoarele pas cu pas pot fi clasificate după pasul unghiular.
Din punct de vedere al configurației electrice există trei tipuri de motoare pas cu pas după cum urmează:
Cu reluctanță variabiă:
Rotorul este din fier moale, iar înfășurările sunt pe stator. Mișcarea de rotație a axului între 5˚ și 15˚ se face cu viteză ridicată, dar odată cu eliminarea tensiunii de alimentare a bobinelor, își pierde poziția.
Cu magnet permanent:
Rotorul este realizat din magneți permanenți, magnetizați pe direcție perpedinculară față de axa care separă polii. Înfășurările sunt realizate pe stator. Mișcarea axului la acest tip de motoare se face cu un cuplu ridicat, dar cu viteză mică între 45˚ și 90˚.
Hibride:
Acest tip de motoare, aspect evident din denumire, sunt o combinație a celor două tipuri prezentate mai sus. Dezvoltă un cuplu mare și sunt capabile să păstreze poziția axului și pe durata lipsei tensiunii de alimentare a bobinelor.
Pe langă acestea, mai există un al patrulea tip de motor pas cu pas care are o construcție specială. Rotorul este un disc și, în același timp, este și un magnet permanent, fapt ce determină ca valorile inerțiilor să fie mici. Totodată, fluxul magnetic este optim, pentru că nu există o legătură între bobinele statorului (Fig. 2.23).
După tipul înfășurărilor din stator, motoarele pas cu pas pot fi:
Motoare pas cu pas unipolare:
Statorul este compus din câte două bobine pe pol, care au începuturile legate împreună.
Motoare pas cu pas bipolare:
Acest tip de motoare are o singură înfășurare pe pol. Prin schimbarea sensului curentului prin bobine, se obține mișcarea de rotație a axului. Pentru aceasta se utilizează o punte H, folosită și pentru comanda motoarelor de curent continuu în două cadrane.
Motoare pas cu pas cu opt fire:
Acestea sunt caracterizate de faptul că au opt fire, patru bobine, două pe fiecare pol, capetele fiind orientate spre exterior. Se pot face multiple conexiuni, iar motorul poate fi folosit ca unipolar sau bipolar.
Motorul pas cu pas dispune de o serie de avantaje. Acesta este fiabil, datorită lipsei periilor de contact la motor, dă posibilitatea obținerii unei game foarte largi de viteze de rotație, poate funcționa cu viteze mici în sarcină și este capabil să răspundă prompt la porniri/opriri și schimbări de direcție. Totodată, motorul pas cu pas are o poziționare precisă. Eroarea este mică la fiecare pas și nu se cumulează de la un pas la altul. [11]
Controlul dificil la viteze mari, apariția rezonanței în cazul unui control anevoios, dar și lipsa menținerii poziției la întreruperea tensiunii, în cazul motoarelor pas cu pas cu reluctanță variabilă, sunt câteva dintre dezavantajele acestui tip de motor.
2.5 Tipuri de acumulatori
Din moment ce în interiorul bateriei are loc fenomenul de curgere de electroni, efect al reacțiilor chimice, și pentru că numărul moleculelor din aceasta este finit, se impune limitarea cantității totale de electroni ce sunt „împinși” în circuit, astfel încât rezervele de energie să nu se epuizeze. Capacitatea unei baterii poate fi măsurată ținând cont de numărul total de electroni, lucru greu de realizat din cauza numărului mare al acestora. Se poate folosi Coulombul, care este egal cu 6,25·1018 electroni, pentru a se obține o valoare cu mai puține zecimale, dar varianta optimă este diferită de mărimile de mai sus. Amper-oră reprezintă unitatea de măsură a sarcinii electrice și este definită ca fiind cantitatea de sarcină transferată de un curent electric constant de un amper, timp de o oră. Așadar, 1 [A] (amper) este cantitatea de sarcină electrică – Q de 1C (coulomb) ce trece prin circuitul electric în unitatea de timp 1 [s] (secundă). Q =1[A]·1[h] =1[Ah] – amper oră, Q(coulomb) =1 [A]· 3600 [s] =3600 coulomb.
Acumulator NiCd (Nichel-Cadmiu) [22]
Anod: Cadmiu Cd + 2OH- —> Cd(OH)2 + 2e- 0,81 [V];
Catod: Oxi-Hidroxid de nichel Ni(OH)2; NiO2 + 2H2O + 2e- —> Ni(OH)2 + 2OH- 0,49 [V];
Electrolit: Hidroxid de potasiu KOH;
Tensiunea electrochimică pe fiecare element: 1.3 [V].
O caracteristică a acestui tip de acumulator poate fi efectul de memorie, care înseamnă schimbarea parametrilor celulei la parametrii anteriori, adică ai ultimului ciclu din punct de vedere al capacității, deci, reducerea temporară a capacității celulei în situația în care aceasta este încărcată fară a fi fost descărcată anterior.
Acumulatorul Nichel-Cadmiu are o comportare bună la autodescărcare, are o durată mare de exploatare și rezistă la utilizarea în medii cu temperaturi scăzute.
Acumulator NiMH (Nichel – Metal-Hydrid)
Anod: Aliaje metalice diferite de nichel; MH + OH- —> M + H2O + e- 0,83 [V];
Catod: Oxi-Hidroxid de Nichel Ni(OH)2; NiOOH + H2O + e- —> Ni(OH)2 + OH- 0,52 [V];
Electrolit: Hidroxid de potasiu;
Tensiunea electrochimică pe fiecare element: 1,35 [V].
Acest tip de acumulator este apropiat de cel NiCd, anodul fiind diferit. Are o capacitate mai mare față de cel enunțat mai sus, dar un ciclu de viață mai scăzut și un preț mai ridicat. Este puțin dispus să dezvolte efectul de memorie și, totodată, acesta nu conține metale toxice.
Acumulator cu Gel (SLA)
Anod: Plumb poros sub formă metalică; Pb + SO42- —> PbSO4 + 2e- 0,356 [V];
Catod: Dioxid de plumb (PbO2); PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e- —> PbSO4 + 2H2O 1,685 [V];
Electrolit: Acid sulfuric diluat;
Tensiunea electrochimică pe fiecare element: 2.05 [V].
Acest tip de acumulator este răspândit pe scară largă la nivel global datorită prețului redus. Principala problemă a acestuia apare atunci când tensiunea celulei depășește 2.39 [V]. Apa se separă de oxigen, iar acesta se acumulează în celulă. În cazul în care concentrația crește, pot apărea explozii. Nu în ultimul rând emanațiile electrolitului sunt toxice și corozive. Ca răspuns la aceste probleme, construcția actuală a acestor acumulatori este etanșă, iar pentru eliberarea gazelor în exces sunt prevăzute supape de ventilație.
Acumulator Li – ion (Litiu – ion) [3]
Anod: Grafit
Catod: Oxid de Litiu
Electrolit: LiPF6 sau LiBF4
Principalul avantaj al acestui tip de acumulator este densitatea mare de energie, care poate ajunge până la 250 [Wh/Kg]. La momentul actual este sursa standard de alimentare pentru dispozitivele portabile. Produce aceeași energie ca acumulatorul NiMH, dar este mai ușor cu 20% – 35%. Electrolitul acestuia este dezavantajos, deoarece corodează aluminiul. Construcția sa chimică face ca forma unică de construcție să fie prismatică. Temperatura de operare este cuprinsă în intervalul -20 [șC] – 60 [șC].
Tipuri de acumulatori Li – ion:
LiCoO2 (LiCoO2 la catod, grafit la anod)
LiMn2O4 (LiMn2O4 la catod, grafit la anod)
LiNiMnCoO2 (LiNiMnCoO2 la catod, grafit la anod)
LiFePO4 (LiFePO4 la catod, grafit la anod)
LiPo (Litiu – polimer)
Anod: Li sau C-Li; C–Lix → C + xLi+ + xe−;
Catod: LiCoO2 sau LiMnO4; Li1−xCoO2 + xLi+ + xe− → LiCoO2;
Electrolit: Polimer electro-conductiv (PEO, oxid de polietilenă) LiPF6 sau săruri conductive ce conțin SiO2.
Tensiunea electrochimică pe fiecare element: 3.7 [V].
Principalul avantaj al acestui tip de acumulator este masa redusă în comparație cu acumulatorul Li – ion. Permite un număr mult mai mare de cicluri de încărcare – descărcare în comparație cu acumulatorii Li – ion. Dar pe de altă parte, este inflamabil și sensibil la șocuri și, totodată, este prevăzut cu un circuit electronic care nu permite descărcarea acestuia sub limita minimă, dar nici încărcarea peste pragul maxim. Datorită prezenței polimerilor, acesta poate fi realizat sub diverse forme, chiar și în forme flexibile de grosimi de un milimetru, ceea ce îi dă un mare avantaj în comparație cu celelalte tipuri de acumulatori.
2.6 Clasificare senzori
Un robot trebuie să execute un număr mare de mișcări în concordanță cu sarcinile tehnologice impuse în diverse condiții determinate de specificul mediului său de operare și să își modifice corespunzător caracteristicile funcționale odată cu modificările survenite în factorii interni și externi în spațiul cărora activează. [8]
Astfel, sistemul robotic trebuie să fie capabil să își schimbe legile de mișcare în concordanță cu modificările survenite în mediul de lucru.
Acest obiectiv se poate obține cu ajutorul unor dispozitive specializate, senzori care pot asigura monitorizarea atât a stării interne a sistemului, cât și a mediului înconjurător. Sistemul senzorial al robotului este alcătuit din toate aceste dispozitive și elemente componente care permit realizarea unei imagini de ansamblu a lumii externe în care robotul își desfășoară activitatea și care fac posibilă comportarea adaptivă a acestuia față de schimbările survenite.
Există diferențe între sistemele senzoriale cu care sunt echipați roboții. Complexitatea acestora este strâns legată de funcția pe care trebuie să o îndeplinească. De aceea, echipamentul senzorial poate obține informații despre obiectele și obstacolele din imediata apropiere sau poate furniza parametrii intrinseci, precum viteză, accelerație, deplasare etc.
Pentru atingerea acestui deziderat, senzorii din dotarea roboților mobili, și nu numai, trebuie să aibă o viteză de răspuns mare, să fie fiabili, preciși, cu o construcție robustă și reproductibili.
Traductorul este un ansamblu alcătuit din mai multe elemente și are rolul de a transforma în mărime electrică, tensiune sau curent, o mărime fizică. [29]
Un traductor (Fig. 2.26) este compus dintr-un element sensibil (ES) numit și senzor sau detector, captor, un element de legătură și transmitere (ELT), un adaptor (AD) și o sursă de energie auxiliară (SEA).
Senzorii sunt ansamble de dispozitive sensibile care permit determinarea unui câmp de valori ale unei mărimi fizice.
Mărimile de intrare x(t), în funcție de natura lor, pot fi:
Mărimi mecanice:
Deplasare, viteză, accelerație, turație, forță, presiune, volum, masă, debit etc.
Mărimi electrice:
Tensiune, intensitate, energie electrică.
Mărimi termice:
Temperatură, căldură, entropie, flux de căldură.
Mărimi radiante:
Semnal optic, semnal electromagnetic, semnal nuclear.
Mărimi magnetice:
Intensitate, câmp magnetic, permeabilitate magnetică, magnetizare.
După modul de acțiune, senzorii pot fi clasificați în:
Senzori parametrici (pasivi):
Aceștia modulează un parametru de circuit electric: rezistență (R), inductanță (L), capacitate (C).
Senzori generatori (activi):
Pot genera direct un semnal electric sub formă de sarcină electrică sau tensiune.
După tipul semnalului de ieșire y(t), senzorii pot fi clasificați în:
Senzori cu semnale analogice;
Senzori discreți;
Senzori numerici (digitali).
După modulația semnalului de ieșire, senzorii pot fi clasificați în:
Senzori cu semnal de ieșire nemodulat;
Senzori cu semnal de ieșire modulat.
După forma caracteristică de transfer, senzorii pot fi clasificați în:
Senzori neliniari;
Senzori liniari.
După poziționarea lor în cadrul sistemului:
Interni;
Externi.
Aceștia au diferite caracteristici care îi diferențiază între ei și care îi cataloghează ca având performanțe ridicate sau scăzute. Dintre acestea, cele mai importante sunt:
Caracteristica de tranfer, care înseamnă dependența dintre mărimea de ieșire (y) și mărimea de intrare (x);
Domeniul de măsurare, ce reprezintă intervalul în care variază mărimea de intrare (x) și în care traductorul are precizia cerută;
Precizia, definită ca fiind eroarea relativă a senzorului;
Rapiditatea, ce face referire la timpul de răspuns al senzorului;
Sensibilitatea, care stabilește rapiditatea dintre variația mărimii de ieșire ce corespunde unei variații a mărimii de intrare.
În continuare, voi prezenta o descriere a diferitelor tipuri de senzori utilizați în monitorizarea și automatizarea roboților mobili.
Senzori de proximitate
Senzorii de proximitate au rolul de a detecta gradul de apropiere dintre două obiecte, unul fiind considerat referință.
Traductoare de proximitate inductive
La acestea, elementul sensibil are rolul de a converti informația despre poziția unui obiect metalic, în raport cu fața sensibilă, în semnal electric. Semnalul este prelucrat în cadrul adaptorului și se comandă un etaj final cu ieșire pe sarcină de tip releu. Tensiunea necesară circuitelor electronice este furnizată de blocul de alimentare.
Prin câmpul magnetic alternativ, oscilatorul întreține oscilațiile în jurul bobinei ce formează fața sensibilă a detectorului, împreună cu un miez de ferită. Variația inductivității bobinei duce la modificarea curentului de ieșire. Această variație apare atunci când în zona activă se introduce un obiect. Caracteristica acestor traductoare este dimensiunea bobinei. Cu cât aceasta este mai mare, cu atât distanța de comutare este mai mare. Acestea au un electrod de calibrare standardizat pentru determinarea distanței de comutare. Zona de acțiune 3-40 [mm] este cuprinsă între curba de oprire a oscilațiilor și curba de pornire a oscilațiilor. Această zonă utilă este influențată de dimensiunea obiectului, de temperatră, de câmpul magnetic etc.
Traductoare de proximitate capacitive
Acest tip de senzori este utilizat pentru sesizarea apropierii de obiecte neferomagnetice și funcționează diferit în funcție de natura obiectului. Așadar, la detectarea obiectelor conducătoare, acestea formează cu fața sensibilă un condensator, a cărui capacitate crește odată cu micșorarea distanței dintre obiect și suprafața utilă. În cea de-a doua situație, când obiectul este izolant, fața sensibilă și obiectul se vor comporta ca un condensator. Capacitatea acestuia crește cu permitivitatea dielectrică.
Traductoare cu fibră optică
Traductoarele cu fibră optică funcționează pe baza modificării fluxului de radiații ce se stabilește între sursa (E) – emițător și (R) – receptor, datorită prezenței sau absenței obiectului. O primă variantă constructivă face ca emițătorul și receptorul să fie pe de o parte și de alta a obiectului. O a doua variantă constructivă este cea în care elementul sensibil este de tip reflector. În această situație, fasciculul emis de emițător se reflectă prin intermediul unui paravan reflectorizant (reflector). Dacă obiectul are proprietăți reflectorizante, poate juca rolul de paravan.
Sursele sunt realizate cu diode electroluminișcente, leduri cu fascicul vizibil sau inflaroșu. Variația de semnal electric, ce este furnizată la ieșirea din elementul sensibil și datorată modificării poziției obiectului detectat, este prelucrată de adaptorul traductorului. Variația de semnal este transmisă etajului de ieșire care este de tip releu sau contactor static (tiristor, triac). Erorile acestor traductoare pot apărea din cauza mediului umed, aburi sau obiecte strălucitoare din zona de lucru a traductorului.
Senzori pentru măsurarea distanței
Senzori cu ultrasunete
Ultrasunetele sunt unde acustice cu o frecvență de aproximativ 15 [kHz], care au proprietatea de a se propaga rectiliniu până la detectarea unui obiect în mediul înconjurător. Senzorul ce utilizează ultrasunetele (Fig. 2.26) este alcătuit dintr-un emițător care generează un semnal eletric ce este transformat de către un traductor electrostatic în semnal acustic și un receptor care captează semnalul ce s-a reflectat în obstacol.
G – generator de impulsuri;
EC – comutator emisie-recepție;
CE – capsulă electrostatică;
MT – element ce măsoară timpul scurs dintre impulsul emis și cel recepționat, proporțional cu distanța până la obiect în raport cu robotul.
Senzori optici de tip laser
Senzorii laser sunt una dintre cele mai precise categorii de traductoare pentru măsurarea distanței. Cu aceștia, se poate măsura atât viteza, cât și accelerația obiectelor din mediu. Funcționarea lor este similară cu cea a unui sonar, diferența constând în faptul că aceștia trimit un fascicul luminos.
Distanța este determinată prin calculul timpului necesar întoarcerii fasciculului luminos. Cu aceștia, se pot măsura distanțe foarte mari, de ordinul kilometrilor, cu o precizie ridicată. Acesta este principalul avantaj al senzorului laser față de cel ultrasonic. Din acest considerent, costul său de achiziție este unul ridicat.
În figura de mai jos este prezentată influența condițiilor de mediu asupra senzorilor. [8]
Capitolul 3
Proiectarea constructivă și funcțională a unui robot de tuns gazonul
Lucrarea de față își propune studiul asupra proiectării și realizării unui robot mobil, autonom, pentru servicii, acționat de un sistem de locomoție diferențial care să dispună de posibilitatea reglării înălțimii de tăiere a ierbii și care să fie dotat cu un sistem senzorial corespunzător, astfel încât acesta să fie capabil să își atingă scopul într-un mod cât mai eficient. Rezultatele studiului și cercetării în domeniul de specialitate au dus la proiectarea unui ansamblu format din două componente: hardware și software. Acestea au fost dezvoltate pentru a satisface cerințele inițiale care descriu felul în care se delimitează spațiul de lucru, autonomia robotului, suprafața activă, tipul cuțitului de tăiere, dar și alte aspecte legate de exploatarea în condiții de siguranță, protecția muncii, depozitare și întreținere. Toate acestea au condus către un produs care se dorește a fi unul calitativ, fiabil și ușor de folosit. În acest capitol, se vor expune atât variantele constructive și componentele utilizate, cât și partea software care conține strategiile de navigare și problemele ridicate de acestea. În figura 3.1 este prezentată o imagine de ansamblu a robotului de tuns gazonul.
3.1 Proiectarea Sistemului de locomoție
După o analiză a tipurilor de sisteme de locomoție, am decis să aleg sistemul de locomoție diferențial, care răspunde cel mai bine cerințelor impuse și care dispune de o serie de avantaje în comparație cu celelalte tipuri de sisteme de locomoție luate în calcul în momentul deciziei. Această alegere a determinat mai departe forma constructivă a șasiului.
Figura 3.3 afișează reperele din componența șasiului robotului pentru servicii.
Placa de bază, punctul de legătură al tuturor componentelor, pe care sunt poziționați suporții de motoare este realizată din tablă de aluminiu (AlMg3) laminată la cald. Are o formă neregulată și o grosime de 8 [mm], suficient de groasă pentru a se putea realiza filet în majoritatea găurilor din componență. Prelucrarea acesteia s-a făcut printr-un procedeu neconvențional, și anume tăiere cu plasmă.
3.1.1 Alegerea motoarelor de curent continuu
Când se dorește construcția unui robot mobil, alegerea motoarelor electrice (1) reprezintă o decizie importantă. Trebuie luate în calcul anumite aspecte legate de caracteristicile robotului mobil, cum ar fi: dimensiunea, masa totală, viteza de deplasare, accelerația, tipul suprafeței de rulare. Calculul forțelor care acționează asupra robotului în timp ce acesta este în deplasare pe o anumită suprafață duce la predimensionarea tracțiuii și la alegerea tipului de motor electric corespunzător. Tracțiunea are la bază două roți motoare, antrenate de două motoare electrice de curent continuu cu perii, alimentate la o tensiune de 12 [V]. Robotul trebuie să învingă forțele de frecare dintre roți și suprafața de contact – iarba în situația noastră – forțele de inerție, dar și forțele de frecare din interiorul motorului. Se ține cont de faptul că robotul trebuie să ruleze pe suprafață înclinată.
Calculul pentru dimensionarea motoarelor are în vedere, în primă fază, determinarea turației și cuplului necesar. Pentru ca viteza de deplasare să fie constantă, se cere ca motorul electric să dezvolte un cuplu motor mai mare decât momentul rezistiv de la axul motorului. În caz contrar, când momentul motor este mai mic decât momentul rezistent, se poate produce arderea înfășurării motorului electric, dacă acesta este în continuare alimentat.
Figura 3.4 prezintă schematic forțele care acționează asupra robotului în planul orizontal:
N – normala la suprafață
G – forța de greutate
Ff – forța de frecare
Ft – forța de tracțiune
F – forța de inerție
Momentul necesar pentru mișcarea robotului este determinat din calculul forțelor ce acționează asupra lui.
Forța de frecare:
Ff = N · µ (3.1)
unde:
N – reprezintă forța normală la suprafață;
µ – reprezintă coeficientul de frecare și are valoarea aproximativ egală cu 0.9.
N = G = m · g (3.2)
unde:
m – reprezintă masa totală a robotului: 20 [Kg];
g – reprezintă accelerația gravitațională, care are valoarea de 9.81 [m/s2].
Luând în considerare cele de mai sus, forța de frecare are următoarea formă:
Ff = m · g · µ = 20 · 9.81 · 0.9 = 176,58 [N] (3.3)
Forța de inerție:
F = m · a = 20 · 0.7 = 14 [N] (3.4)
unde:
a – reprezintă accelerația maximă pe care poate să o atingă robotul; în situația de față, are valoarea de 0.7 [m/s2].
În continuare, vom calcula forța de tracțiune necesară deplasării robotului:
Ft > F + Ff > 14 + 176,58 = 190,58 [N] (3.5)
Forta de tractiune are expresia:
Ft = = 190,58 [N] (3.6)
unde:
Mm – reprezintă momentul motor;
r – raza roții, care este de 100mm.
Momentul necesar pentru deplasarea robotului, exercitat de axul motorului la roată este:
Mm = = = 9520 [N · mm] = 9,52 [N · m] (3.7)
Viteza unghiulară a motorului se determină cu următoarea expresie:
ω = = = 4 [rad/s] (3.8)
unde: v = viteza limită egală cu 0.4[m/s].
Turația motorului electric este dată de următoarea expresie:
n = = = 38,21 [rot/min] (3.9)
Puterea necesară motorului electric:
P = Mn · ω = 9,52 · 4= 38,08 [W] (3.10)
Aplicarea forțelor care acționează asupra robotului în rampă (Fig. 3.5).
Suprafața pe care se va deplasa robotul de tuns gazonul este una accidentată și poate să aibă un unghi de înclinare de până la 10o. În continuare, se vor calcula forțele rezistente care acționează asupra robotului pe un plan înclinat de 10o :
Gx – componenta forței de greutate pe axa x;
Gy – componenta forței de greutate pe axa y;
Momentul necesar pentru mișcarea robotului este determinat din calculul forțelor ce acționează asupra lui.
Forța de frecare:
Ff = N · µ (3.11)
unde:
N – reprezintă forța normală la suprafată;
µ – reprezintă coeficientul de frecare; are valoarea aproximativ egală cu 0.9.
N = Gy = m · g · cos 10o (3.12)
unde:
m – reprezintă masa totală a robotului: 20 [kg];
g – reprezintă accelerația gravitațională care are valoarea 9.81 [m/s2].
Forța de greutate:
G = m · g
Gx = G · sin 10= m · g · sin 10o (3.13)
Gy = G · cos 10 = m · g · cos 10o
Luând în considerare cele de mai sus, forța de frecare are următoarea formă:
Ff = m · g · (µ · cos 10o + sin 10o) (3.14)
Ff = 20 · 9.81 · (0.9 · 0.98 + 0.17) = 206,40 [N]
Forța de inerție:
F = m · a = 20 · 0.7 = 14 [N] (3.15)
unde:
a – reprezintă accelerația maximă pe care poate să o atingă robotul; în situația de față, are valoarea de 0.7 [m/s2].
În continuare, vom calcula forța de tracțiune necesară deplasării robotului:
Ft > F + Ff > 206,40 + 14 = 220,4 [N] (3.16)
Forța de tracțiune are expresia:
Ft = = 220,4 [N] (3.17)
unde:
Mm – reprezintă momentul motor;
r – raza roții care este de 100 [mm].
Momentul necesar pentru deplasarea robotului, exercitat de axul motorului la roată este:
Mm = = = 11020 [N · mm] = 11,02 [N · m] (3.18)
Viteza unghiulară a motorului se determină cu următoarea expresie:
ω = = 4 [rad/s] (3.19)
unde: v = viteza limită egală cu 0,4[m/s].
Turația motorului electric este dată de următoarea expresie:
n = = = 38,21 [rot/min] (3.20)
Puterea necesară motorului electric:
P = Mn · ω = 11,02 · 4 = 44,08 [W] (3.21)
Aplicarea forțelor care acționează asupra robotului în pantă:
Se realizează calculul forțelor rezistente care acționează asupra robotului pe un plan înclinat, și de această dată cu o înclinație de 10o.
Momentul necesar pentru mișcarea robotului este determinat din calculul forțelor ce acționează asupra lui.
Forța de frecare:
Ff = N · µ (3.22)
unde:
N – reprezintă forța normală la suprafață;
µ – reprezintă coeficientul de frecare; are valoarea aproximativ egală cu 0.9.
N = Gy = m · g · cos 10o (3.23)
unde:
m – reprezintă masa totală a robotului: 20 [Kg];
g – reprezintă accelerația gravitațională care are valoarea 9.81 [m/s2].
Forța de greutate:
G = m · g
Gx = G · sin 10= m · g · sin 10o (3.24)
Gy = G · cos 10 = m · g · cos 10o
Luând în considerare cele de mai sus, forța de frecare are următoarea formă:
Ff = m · g · (µ · cos 10o + sin 10o) (3.25)
Ff = 20 · 9.81 · (0.9 · 0.98 – 0.17) = 139,69 [N]
Forța de inerție:
F = m · a = 20 · 0.7 = 14 [N] (3.26)
unde:
a – reprezintă accelerația maximă pe care poate să o atingă robotul; în situația de față, are valoarea de 0.7 [m/s2].
În continuare, vom calcula forța de tracțiune necesară deplasării robotului:
Ft > F + Ff > 139,69 + 14 = 153,69 [N] (3.27)
Forța de tracțiune are expresia:
Ft = = 153,69 [N] (3.28)
unde:
Mm – reprezintă momentul motor;
r – raza roții care este de 100 [mm].
Momentul necesar pentru deplasarea robotului, exercitat de axul motorului la roată este:
Mm = = = 7684 [N · mm] = 7,6 [N · m] (3.29)
Viteza unghiulară a motorului se determină cu următoarea expresie:
ω = = 4 [rad/s] (3.30)
unde: v = viteza limită egală cu 0,4 [m/s].
Turația motorului electric este dată de următoarea expresie:
n = = = 38,21 [rot/min] (3.31)
Puterea necesară motorului electric:
P = Mn · ω = 7,6 · 4 = 30,4 [W] (3.32)
În urma calcului de dimensionare a motoarelor electrice de curent continuu din care au rezultat valorile momentului motor, a forțelor care acționează asupra robotului și a puterii motororului, am ales două motoare de curent continuu cu perii realizate de către producătorul spaniol Doga (Fig. 3.7). Acestea au atașat la axul motor două reductoare de tip melc roată melcată cu un raport de transmisie de 62:1. Acest tip de motor prezintă o serie de avantaje, pe care doresc să le expun în ceea ce urmează:
Posibilitatea de schimbare a periilor face ca viața acestuia să fie prelungită;
Este mai ușor de controlat, fiind alimentat doar cu două fire; turația este reglată prin tensiune.
Tabel 3 Caracterisicile motorului de curent continuu cu perii Doga
Motorul de curent continuu 111.3761.20.00 este alimentat la o tensiune de 12 [V], prin intermediul unui conector XT60 care permite conectarea mufei într-un singur sens, împiedică schimbarea polarității și care rezistă la curenți de până la 65 [A] (Fig. 3.10). Axul motorului este lăgăruit cu un rulment radial care preia mișcările relative de rotație și sarcinile radiale. Are un diametru Ø 9 [mm]. (Fig. 3.9), iar pentru transmiterea mișcării de rotație și a momentului de torsiune este prevăzut cu o pană longitudinală montată fară strângere (2). Angrenajul reductor este format din roată melcată cilindrică cu dinți înclinați, realizată din acid polilactic și melc cilindric realizat din oțel.
Modelul constructiv este de tip a (Fig. 3.8), cu axul orientat către partea stângă. Învelișul exterior este metalic, iar – conform producătorului – acesta îi oferă o protecție împotriva apei IP53.
Diagrama din figura 3.12 prezintă parametrii de funcționare a motorului. Pentru acesta, valorile pe care le ia turația sunt date de modelul liniar definit de ecuația dreptei, fiind invers proporționale cu consumul de curent. Așadar, la turație maximă, atât consumul de curent, cât și cuplul motor și puterea motorului sunt minime. În situația în care cuplul motor este maxim, și consumul de curent este maxim, iar turația este la valoare minimă. Puterea motorului, curba P2 [W], ilustrează variația puterii. Valoarea maximă a acesteia este apropiată de mijlocul gamei de turații și de valoarea de mijloc a cuplului motor. Către extremitatea stângă, valoarea puterii este minimă.
Suporții motoarelor (3) sunt la rândul lor confecționați din Aluminiu (EN AW-5083), (AlMg4,5Mn0,7), aliaj dur, anticorodal, care se comportă excelent la prelucrare. Aceștia au fost obținuți pe centru de prelucrare CNC, datorită complexitătii ridicate și a numărului mare de faze și treceri. Asigurarea poziției relative a suporților față de placa de bază se face cu ajutorul a două știfturi de centrare pentru fiecare suport, astfel anulându-se toate gradele de mobilitate. Asamblarea cu placa de bază se face cu ajutorul a șase șuruburi cu cap hexagonal M6x20 [mm] (DIN 912 GR 10.9). Totodată, s-a considerat oportună eliminarea de material din partea inferioară a suportului, pentru a se reduce masa totală, fără a influența, însă, rezistența.
Motorul este asamblat cu suportul, prin intermediul a trei șuruburi cu cap hexagonal M6x16 [mm] (ISO 4017) (4), dar – în același timp – este constrâns prin forma suportului, care copiază raza carcasei motorului, și prin alezajul care ghidează carcasa rulmentului radial. Astfel, se realizează o asamblare precisă față de suport, care la rândul său a fost montat exact pe placa de bază, ceea ce face ca liniile axurilor motoarelor să fie coincidente și paralele.
Pentru transmiterea mișcării de rotație și a momentului de torsiune de la arborele motorului la roată, a fost necesar un element intermediar, butucul (5). Asamblarea cu pană longitudinală are ca scop fixarea piesei de tip butuc pe arborele motorului. Pana, din punct de vedere al formei geometrice, este cilindrică și este folosită în scopul diminuării efectului concentratorului de tensiuni. Canalul de pană din arbore s-a executat prin frezare (cu freză disc), iar canalul de pană din butuc a fost realizat prin broșare. Pentru că acestea produc slăbirea rezistenței, din cauza micșorării secțiunii, și introduc concentratori de eforturi unitare, a fost necesară racordarea fețelor vecine canalului de pană. S-a mai hotărât și adăugarea unui element de siguranță suplimentar, un știft filetat (ISO 7434) (6), care să elimine o posibilă mișcare axială a butucului imobilizat pe arbore.
Roata (7) are un diametru de 200 [mm]. Este realizată dintr-un material termoplast și este împărțită în două părți: o parte prevăzută cu un profil cramponat pentru a mări aderența la suprafată și una netedă cu un canal specializat care să ajute robotul să-și păstreze traiectoria rectilinie în timpul deplasării. Alezajul acesteia este executat astfel încât să formeze cu butucul un ajustaj cu joc. Asamblarea acesteia este filetată, roata este strânsă între umărul butucului și șaiba plată M27 (ISO 7089 / 7090) (8), prin intermediul piuliței hexagonale (9) M27 cu pasul fin de 1 [mm].
În partea din față a șasiului sunt montate două roți ajutătoare cu înalțimea maximă de Hmax = 63[mm], prevăzute cu un lagăr de rostogolire axial, pentru a se putea realiza rotația cu 360° față de axa verticală, și cu un rulment radial cu bile care să preia sarcinile radiale.
3.2 Proiectarea sistemul de reglare a înălțimii
Sistemul de reglare a înălțimii, în care este cuprins și sistemul de tăiere, înfățișează ansamblul activ ce contribuie la procesul de tundere a ierbii. Obiectivul acestuia este de a apropia sau distanța sistemul de tăiere față de placa de bază a robotului. Împreună cu acesta culisează motorul de curent continuu fără perii, care antrenează arborele principal ce transmite mișcarea de la motor către discurile care compun, alături de cuțite, sistemul de tăiere.
În continuare, voi prezenta componentele care alcătuiesc ansamblul de reglare a înălțimii: (Fig. 3.14, Fig. 3.15, Fig. 3.16).
Șurub cu cap hexagonal DIN 933, M6x60 [mm];
Suport prindere motor fară perii;
Șurub cu filet trapezoidal;
Piuliță cu filet trapezoidal;
Mâner;
Rulment KFL 000 10 [mm] oscilant;
Placă centrare;
Motor electric fară perii Magnum A4120/7-Bl;
Tampon de vibrație tip 2, M6xh/M6;
Suport motor tăiere;
Cuplaj elastic 6 [mm] – 8 [mm];
Inel elastic d1 23 [mm], DIN 741;
Rulment SKF 608 RS;
Bucșă interioară rulment liniar;
Arbore principal;
Inel elastic d1 46 [mm], DIN 741;
Rulment liniar LM30UU;
Bucșă exterioară rulment liniar;
Contrapiuliță;
Disc D 300 [mm];
Cuțit tăiere;
Distanțier disc tăiere;
Piuliță M14;
Rulment liniar cu bile;
Axă de gidare Ø10 [mm];
Suport SHF10.
În urma studiului posibilităților constructive, a analizei formei constructive, a analizei tehnologice și funcționale, a rezultat sistemul de reglare a înălțimii. Acesta este compus din două axe (25) de ghidare de Ø10 [mm], orientate vertical ce ghidează cu ajutorul rulmenților liniari cu bile (24) suportul motorului de tăiere (10). Centrarea suportului se face prin alezajele acestuia, care sunt tolerate și în care sunt introduși rulmeții liniari în carcasă cu flanșă LMK10UU. Axele de ghidare, atât în placa de sus (10) care are rolul de a rigidiza sistemul, cât și în placa de bază sunt montate prin intermediul suporților SHF10 (26), prevăzuți cu posibilitate de strângere. Am luat în considerare realizarea sistemului șurub-piuliță, care transformă mișcarea de rotație în mișcare de translație. Acesta are o construcție simplă, iar prin filetul atașat șurubului și piuliței și prin geometria sa caracteristică permite cuplei elicoidale două mișcări simultane – rotație și translație. Între aceste mișcări există o relație de dependență, astfel încât – la o rotație completă – deplasarea axială este egală cu mărimea pasului filetului. Randamentul mic al cuplei elicoidale determină folosirea sistemului îndeosebi la mecanismele acționate manual, ca în cazul de față. Utilizatorul antrenează mecanismul, acționând mânerul (5) care este asamblat cu șurubul principal de mișcare.
Modelul cinematic ales pentru cupla elicoidală prevede ca piulița să fie fixă, iar rotația să fie realizată de șurub. În această situație s-a prevăzut pivotarea capului șurubului, care se face utilizând lagărul de rostogolire oscilant KFL 000 cu flanșă (6). Același rulment face trecerea șurubului prin placa (7).
Există mai multe tipuri de filete de mișcare. Toate se generează exclusiv pe suprafețe cilindrice în sistemul de măsurare metric. După o analiză a tipurilor de filete existente, am optat pentru filetul trapezoidal, ale cărui caracteristici sunt expuse în cele ce urmează:
Avantajele filetului trapezoidal: [7]
Față de filetul pătrat, are o rezistență și o rigiditate mai mare;
Asigură o bună centrare a piuliței pe șurub;
Prelucrarea prin frezare este mai productivă față de strunjire;
Prin folosirea piulițelor radial reglabile, se elimină jocul axial apărut din cauza uzării flancurilor.
Dezavantajele filetului trapezoidal:
Mecanismul șurub-piuliță cu filet trapezoidal are randamentul transmisiei mai mic decât al filetului pătrat. [20]
Mărimea pasului definește diametrele interioare diferite cu valori mari la pași mici, dar și unghiuri mai mici de înclinare a spirei. Astfel, condiția de autofrânare este îndeplinită la pași mici, iar rezistența tijei șurubului este mai mare datorită secțiunii mari. Randamentul transmisiei crește odată cu mărimea pasului, dar este influențat atât de alegerea perechii de materiale prin care se definește coeficientul de frecare, cât și de calitatea suprafețelor care intră în contact și – nu în ultimul rând – de execuție. Prin urmare, se alege ca pasul filetului să fie normal, îndeplinind cel mai bine condițiile impuse acestei transmisii. Totodată, precizez faptul că filetul trapezoidal este cel mai utilizat filet de mișcare, iar combinațiile diametre nominale – pași se găsesc în SR ISO 2902, SR ISO 2904. Profilul de bază este reglementat de SR ISO 2901, iar dimensiunile de bază pentru filetele metric ISO – în SR ISO 2904. S-a realizat proiectarea corespunzătoare a ansamblului, folosind elementele tipizate pentru a asigura execuția mai ușoară, dar și reparația. În cele ce urmează, sunt prezentate calculele de dimensionare a șurubului și a piuliței conform metodologiei de proiectare specifică, calcule efectuate după stabilirea sarcinilor care încarcă șurubul și piulița :
Calcul mecanism șurub-piuliță
3.2.1.1 Calculul șurubului
Alegerea materialului:
Se recomandă: OL 37, OL 42, OL 50, OLC 35, OLC 45.
Se alege din lista de mai sus materialul OL 50 pe baza caracteristicilor din tabelul 2.
Cele mai importante caracteristici mecanice ale oțelurilor de uz general (STAS 500/2):
Tabel 4 Caracteristicile mecanice ale oțelurilor de uz general
Calculul de predimensionare:
Sarcina de calcul Qc, N
Qc = Q , Qc = 3000·1,1 = 3300 [N]
= 1,05….1,1 – pentru cuplă cu frecare cu alunecare; (3.33)
Diametrul interior al filetului d3, [mm]:
(3.34)
ac = 40…60 [Mpa] – pentru sarcini de lucru Q20000 [N]
ac = 40…60 [Mpa] – pentru sarcini de lucru Q≥20000 [N]
Alegerea filetului standardizat:
Se alege filetul trapezoidal standardizat cu pas normal, cu mărimea diametrului interior, mărime apropiată (d3STAS ≥ d3), și anume:
Tabel 5 Dimensiunile profilului nominal al filetului exterior și interor
Pentru acesta, se prezintă notarea conform STAS a schiței filetului:
Profilul de bază (SR ISO 2901) este profilul teoretic corespunzător dimensiunilor de bază, și anume: diametrul exterior, diametrul mediu și diametrul interior (Fig 3.17).
Notații:
D, D4 – diametrul exterior al profilului de bază, al filetului piuliței;
d – diametrul exterior al filetului șurubului (diametrul nominal);
D2 – diametrul mediu al filetului piuliței;
d2 – diametrul filetului șurubului (d2 = D2);
D1 – diametrul interior al filetului piuliței;
d1,d3 – diametrul interior al filetului șurubului;
P – pasul filetului;
Ph – pasul elicei (Ph = P· numărul de începuturi).
Profilele reale ale filetelor șurubului (exterior) și piuliței (interior), profilele cu joc la fundul filetului (ac) și fără joc pe flancuri, numite – în SR ISO 2901 – profilele la maximum de material [20], au dimensiunile prezentate în figura (Fig. 3.18).
Unghiul profilului filetului este de α =30 °
Elementele geometrice ale filetului:
H1 = 0,5P, H1=2
h3 = H4 = H1 + ac = 0,5P + ac = 2,25, unde:
ac = 0,25 [mm] – pentru 2 [mm] ≤ P≤ 12 [mm]; ac = 1,0 [mm] – pentru P≥14 [mm];
z = 0,25P = H1/2 =1;
R1max = 0,5ac = 0,125;
R2max = ac = 0,25;
S= 0,26795 es = – 0,05 – unde es este abaterea superioară pentru filetul exterior.
Verificarea condiției de autofrânare:
Unghiul de înclinare al spirei filetului 2, grade:
(3.35)
Unghiul aparent de frecare ’, grade:
(3.36)
= 0,11…0,12 – pentru oțel/oțel
Condiția de autofrânare:
(3.37)
Verificarea la solicitări compuse:
Momentul de torsiune care solicită șurubul Mt, [Nmm] pentru cuplă cu frecare cu rostogolire:
(3.38)
Tensiunea efectivă de compresiune c [MPa]:
(3.39)
Tensiunea efectivă de torsiune t, [MPa]:
(3.40)
Tensiunea echivalentă e, [MPa]:
(3.41)
Verificarea la flambaj
Coeficientul de zveltețe :
(3.42)
lf = Kl = 200·0,5 =100 – lungimea flambajului
K = 0,5
l – se măsoară pe desen
≈ (3.43)
Domeniul de flambaj:
𝜆≥𝜆0 – flambaj elastic
𝜆<𝜆0 – flambaj plastic
𝜆0 = 89 – pentru OL 50
Coeficientul de siguranță la flambaj c:
Flambaj plastic:
(3.44)
𝜎f = 335 – 0,62𝜆 = 313,4 – pentru OL 50
Coeficientul de sigurantă admisibil ca = >3
3.2.1.2 Calculul piuliței
Alegerea materialului
Se recomandă: OL 37; OL 42; OL 50; OLC 35; OLC 45; Fc 200; CuSn 10; CuSn 11.
Se alege CuSn 10.
Tabel 6 Caracteristicile mecanice principale ale aliajelor Cu-Sn – SR ISO 197/1
Calculul numărului de spire
Numărul de spire z
(3.45)
Pa = 5…6 [MPa] pentru oțel – fontă
6 ≤ z ≤ 10, număr întreg
Lungimea piuliței Hp, [mm]:
Hp = zP = 4·6 = 24 (3.46)
Verificarea spirei
Verificarea la încovoiere 𝜎i și forfecare τf, [MPa]:
Încovoiere:
Piuliță din fontă sau bronz
(3.47)
h= 0,634P
𝜎ai = 40…45 [MPa]
Forfecare:
Piuliță din fontă sau bronz
(3.48)
τaf = 30…35 [MPa]
Alegerea dimensiunilor piulițelor
Diametrul exterior al piuliței De, [mm]:
De = D4 +10=26,5 (3.49)
Diametrul exterior al gurelului Dg, [mm]:
Dg = De + (24…32) [mm] (3.50)
Dg = 50,5
Înălțimea gurelului hg, [mm]:
Hg = 8…12 [mm] (3.51)
Hg = 8
Verificarea piuliței la solicitări compuse.
Tensiunea efectivă de tracțiune 𝜎e, [MPa]:
(3.52)
Tensiunea efectivă de torsiune τt, [MPa]:
(3.53)
Mt = Mf
Tensiunea echivalentă 𝜎e, MPa
(3.54)
𝜎at=40…50 [MPa] – pentru fontă sau bronz.
Verificarea gulerului
Verificarea la strivire 𝜎s, [MPa]:
(3.55)
𝜎as = 60 [MPa]
Verificarea la forfecare τf, [MPa]:
(3.56)
τaf = <35 [MPa] – pentru fontă sau bronz
Pentru antrenarea sistemului de tăiere, am optat pentru un motor de curent continuu fară perii Magnum A4120/7-Bl (8). Acesta dispune de o serie de avantaje care reușesc sa îl pună pe o treaptă superioară față de motorul de curent continuu cu perii. Față de acesta, motorul brushless este lipsit de forțele de frecare dintre perii și arbore, nedisipând energie prin încălzire, ceea ce face ca turația și cuplul obținute să fie mai mari. Nu are nevoie de mentenanță în ceea ce privește periile colectoare, întrucât acesta nu introduce impulsuri parazite în sistemul de alimentare. Un dezavantaj al acestui tip de motor poate fi controlul mai complex, necesitând o componentă suplimentară specializată, un regulator electronic ESC (Electronic speed control).
Tabel 7 Caracteristicile motorului electric fără perii Magnum A4120/7-Bl
Motorul este montat pe suportul (10) prin intermediul a patru șuruburi cu cap hexagonal DIN 933 (1) care trec prin suportul (2). Pentru că fiecare construcție are o pulsație proprie, am ținut cont de fenomenul de rezonanță. Din acest motiv, am optat pentru arcul din cauciuc cu armătură metalică de legătură, element de tip elastic, tampon de vibrație tip 2, M6xh/M6 (9) care să absoarbă din vibrații și șocuri, diminuând propagarea lor în componentele sistemului. Este recomandat ca la punerea în funcțiune sau la oprirea motorului, trecerea prin turația critică să fie rapidă. De asemenea, nivelul vibrațiilor este limitat și de protecția muncii. În cazul de față, este sub nivelul admisibil din cauza dispozitivelor de amortizare.Transmiterea mișcării de rotație de la arborele motorului la cuțitele sistemului de tăiere se face astfel (Fig. 3.16): Cuplajul elastic (11) preia abaterile axiale și radiale și transmite mișcarea de rotație și momentul de torsiune între cei doi arbori paraleli [arborele motorului și arborele principal (15)]. Acesta constituie o componentă importantă în cadrul sistemului. Am efectuat, deci, o analiză structurală, cu scopul determinării stării de tensiune și deformație în programul Ansys, un produs software de analiză cu elemente finite, prin intermediul căruia se simulează sistemul fizic solicitat. Mai mult, vor fi enunțate etapele și rezultatele analizei:
S-a exportat modelul geometric din programul Catia V5 în programul Ansys workbench:
A fost realizată rețeaua de elemente finite (mesh):
Au fost impuse constrângerile și încărcările pe modelul importat:
S-a rulat analiza și s-au obținut următoarele informații:
Se poate observa că factorul de siguranță este mai mare decat 1 (2,51<1), ceea ce înseamnă că arborele rezistă la solicitările impuse.
La terminarea analizei statice, am rulat o analiză la oboseală, în urma căreia am determinat numărul de cicluri de viață la care rezistă piesa (peste un million).
Din cauza faptului că lungimea arborelui este relativ mare, a fost nevoie de constrângerea acestuia la trecerea prin placa de bază. Totodată, s-a ținut cont de faptul că acesta trebuie să realizeze o mișcare de translație verticală. Rulmenții radiali SKF 608 RS (13) sunt montați în interiorul bucșei interioare (14), formând un ajustaj cu strângere, …..
și au rolul de a prelua mișcarea relativă de rotație și sarcinile radiale. Astfel, rezemarea se face pe cele două lagăre. Pentru împiedicarea deplasărilor axiale a rulmenților, a fost necesară adăugarea a două inele elastice (16). Cămașa interioară a rulmentului din partea inferioară a bucșei este, la rândul ei, rezemată pe umărul arborelui principal.
Rulmentul liniar este montat în interiorul bucșei exterioare (18) prin intermediul inelelor elastice (16) care anulează mișcarea axială a acestuia. Bucșa exterioară este montată tot pe placa de bază a robotului. Prin interiorul acestuia culisează bucșa interioară, astfel realizându-se mișcarea de translație a arborelui prin șasiul robotului.
Sistemul de tăiere este alcătuit din două discuri (20) de aluminiu, cu grosimea de 1[mm], distanțate unul față de celălalt de componenta (22), la rândul ei realizată din aluminiu cu grosimea de 3 [mm]. Între cele două discuri sunt dispuse la un unghi de 120 ° trei cuțite din oțel supuse unor tratamente termice (21). Acestea pot executa o mișcare de rotație în jurul axei bolțului de prindere, în cazul în care lovesc un obiect dur. Pe parcursul procesului de tăiere, asupra acestora acționează forța centrifugă, deoarece cuțitul de masă M se rotește împreună cu discurile în jurul axei arborelui principal cu o viteză constantă la o distanță de R = 300 [mm]. Forța centrifugă acționează pe direcția dreptei ce unește centrul de rotație și centrul cuțitului de tăiere și are sensul dinspre centrul de rotație către cuțit. Acesta generează automat și lățimea de tăiere, cu dimensiunea de 330 [mm].
Pentru cuțitul de tăiere s-a realizat, la fel ca în cazul arborelui principal, o analiză structurală, cu scopul determinării stării de tensiune și deformație pentru o forță F = 20 [N], urmărind pașii amintiți anterior:
S-a exportat modelul geometric din programul Catia V5 în programul Ansys workbench:
A fost realizată rețeaua de elemente finite (mesh):
Au fost impuse constrângerile și încărcările pe modelul importat:
S-a rulat analiza și s-au obținut următoarele rezultate:
Și în această situație se poate observa că factorul de siguranță este mai mare decât 1 (6,59<1). În concluzie, cuțitul rezistă la solicitările impuse.
La terminarea analizei statice, am determinat numărul de cicluri de viață la care rezistă piesa și am constatat că acesta depășește un milion.
După realizarea tuturor componentelor, acestea au fost asamblate pe placa de bază (șasiu), conform (Fig. 3.38):
Am proiectat și un element care să ofere protecție împotriva prafului, șocurilor și apei, și anume carcasa robotului (Fig. 3.39). Ea este realizată din 18 piese din tablă de aluminiu (AlMg3) laminată la cald, de grosime 3 [mm], asamblate nedemontabil, fiind sudate prin procedeul TIG. Elementele care se regăsesc și la exteriorul carcasei de protecție sunt:
Mânerul de reglare a înălțimii, la care, pentru acoperirea alezajului de trecere al arborelui principal, am folosit un simering;
Cele două butoane de pornire și potențiometrul sunt acoperite, pentru protecție împotriva apei.
Butonul de urgență este realizat cu protecție la apă IP 67.
Senzorii ultrasonici Parallax PING depășesc limita maximă a barei exterioare din fața robotului, fiind montați într-un suport proiectat special, care este prins magnetic de placa de bază. Astfel, la demontarea carcasei de protecție, senzorii se pot deplasa odată cu aceasta, fară a fi nevoie să se desfacă alte șuruburi decât cele prin care se realizează asamblarea carcasei cu placa de bază.
3.3 Sistemul electronic de comandă
Robotul mobil are nevoie de un sistem adecvat pentru comandă. Aceasta depinde direct de componentele implementate și de performanțele lor. Pentru a crea un mediu adecvat, curat, lipsit de praf și de umezeală, dar și pentru a proteja componentele electronice de lovituri și șocuri mecanice, am constatat nevoia realizării unei cutii (Fig. 3.40)
Cutia (9), suportul pentru componentele electronice, este proiectată în asa fel încât să atribuie un spațiu personalizat fiecărei piese electronice. Este realizată din polioximetilenă sau poliacetal (POM), care face parte din clasa copolimerilor și homopolimerilor de acetal neaditivați. Are o bună rezistență mecanică la fluaj, șoc, temperaturi scăzute, rigiditate și duritate. Este izolator electric și are o absorbție scăzută a apei. A fost obținută prin prelucrare prin așchiere pe centru CNC. Cutia pentru componente electronice este prevăzută cu un capac (5) din același material, montat prin intermediul a patru șuruburi cu cap fluture, pentru a permite accesul cu mai multă ușurință în interiorul ei. În partea centrală a capacului este prevăzut un orificiu în care este montat un ventilator (4) axial alimentat la o tensiune de 12 [V], cu o putere de 1,92 [W] și cu dimensiunile 60x60x15 [mm]. Deasupra acestuia, am printat din acid polilactic (PLA) un tub de absorbție (3) cu legătură în exteriorul robotului, în interiorul căruia se găseste un filtru din burete (2), pentru a împiedica absorbția de corpuri străine cu dimensiuni mari din aer. În același scop, pe carcasa exterioară este montat un capac cu alejaze pe laterale (1), poziționate la 3 [mm] față de suprafața carcasei, pentru a elimina posibilitatea pătrunderii apei în filtru. Prin acesta, ventilatorul are legătură directă cu exteriorul, aerul aspirat fiind folosit la răcirea componentelor, prin formarea unui curent continuu. Aerul suflat în cutie este eliminat prin intermediul orificilor din pereții exteriori ai fiecărei încăperi.
3.3.1 Comanda și controlul sistemului de locomoție
Comanda și controlul sistemului de locomoție depind de mai multe componente electronice – fiecare cu un rol bine definit – care sunt conectate între ele. Astfel, se face legătura între acumulator și driver, motoarele de curent continuu și senzori etc. (Fig 3.42)
Acumulatorul utilizat pentru alimentarea robotului mobil de tuns gazonul este produs de Tattu, având o tensiune nominală de 22.2 [V], o capacitate de 16000 [mAh] și dezvoltând un curent de descărcare de 240 [Ah]. Acesta este format din 6 celule ce au la bază tehnologia LiPo. Poate menține un voltaj constant până la 80% din capacitatea sa. Are o masă de 1940 [g]. Necesită încărcarea cu încărcător special pentru Litiu Polymer și egalizator, având protecție pentru supradescărcare, dar și protecție la scurtcircuit. Curentul maxim de încărcare este de 80 [A]. Are, totodată, un gabarit redus pentru densitatea mare de energie pe care o oferă. Acesta este montat pe placa de bază între patru suporți din acid polilactic care îi anulează mișcarea de translație pe orizontală. Fiind o componentă inflamabilă, pentru a crește siguranța utilizatorului, l-am introdus într-un sac de protecție.
Butonul de urgență, care este normal închis, și butonul de pornire, care este normal deschis, sunt contectate în serie, alimentându-se – în acest mod – circuitul. Deoarece tensiunea acumulatorului este de 22.2 [V], cea la care alimentăm motoarele este de 12 [V], iar pentru circuitul de comandă, placa de dezvoltare Arduino Mega 2560 și senzorii ultrasonici este nevoie de o tensiune mai scăzută, s-a impus folosirea unor componente electronice care să facă acest lucru, acestea fiind cunoscute sub denumirea de regulatoare de tensiune DC-to-DC convertors. Regulatorul D24V150F12 (6) (Fig. 3.42 a), fabricat de producătorul polonez Pololu, este componenta pe care am ales-o să realizeze această sarcină. Printre altele, aceasta poate fi alimentată cu o tensiune de până la 40 [V]. Tensiunea de ieșire generată este de 12 [V], iar curentul de cca 15 [A]. Are o eficiență de 80% – 90% conform producătorului, ceea ce îl face o alegere bună, fiind capabil să susțină sarcini mari. Este dotat cu protecție atât pentru inversarea conexiunilor de intrare și ieșire, cât și pentru scurtcircuit. Poate să susțină pe durată scurtă un consum de curent de 32 [A]. Pentru un curent de ieșire continuu între 5 [A] și 20 [A] nu este necesară răcirea. În cazul în care temperatura depășește limita normală, acesta se oprește și repornește după răcire. Având aceleași caracteristici, diferența constând în tensiunea de ieșire (de 6 [V]), regulatorul D24V150F6 (7) (Fig. 3.42 b) este componenta la care este conectată placa de dezvoltare Arduino Mega 2560.
Eficiența robotului mobil depinde de platforma folosită pentru control. Așadar, pentru aceasta s-a folosit placa de dezvoltare Arduino Mega 2560 (13). Fiind o platformă open-source, a devenit, în timp, foarte accesibilă, întrucât este un mediu de dezvoltare integrat care poate fi programat cu ușurință de pe computerele personale, folosind limbajul C și C++.
Am ales această placă de dezvoltare datorită limbajului de programare și pentru că este o componentă electronică echipată cu un microprocesor AVR, ATmega2560, și conține 54 de intrări sau ieșiri digitale, dintre care 15 pot fi utilizate ca ieșiri PWM, 16 intrări analogice, 4 porturi seriale hardware (UART), un buton de reset, un port USB tip B și un oscilator (cristal de quartz) de 16 [Mhz]. Alimentarea se poate face în intervalul 6-20 [V], recomandat fiind intervalul 7-12 [V]. Cele 54 de intrări digitale pot fi utilizate ca ieșiri sau intrări, folosind funcțiile: digitalWrite(), pinMode(), digitalRead(). Funcția analogWrite() furnizează ieșiri pe pinii 2-13 și 44-46.
Tabel 8 Caracteristici principale Arduino Mega 2560
Placa de dezvoltare Arduino nu este capabilă să genereze pe ieșire un curent care să poată antrena în mișcare de rotație axul motorului. Este chiar contraindicată alimentarea directă a motorului la aceasta, deoarece se poate produce arderea procesorului. Prin urmare, este nevoie de o altă componentă care să fie capabilă să ia putere din acumulator și să o transmită motoarelor în funcție de comanda dată de Arduino. Dual VNH5019 (8) (Fig.3-44) este driverul de motoare care îndeplinește dezideratul pus în discuție. Acesta poate alimenta două motoare de curent continuu și poate opera cu tensiuni cuprinse între 5.5 [V] și 24 [V]. Pe ieșire generează un curent continuu de 12 [A], cu valoare maximă 30 [A] per motor, sau 24 [A], cu valoare maximă 60 [A] pe un singur motor de curent continuu conectat la ambele ieșiri. Ledurile de pe plăcuța electronică indică dacă motorul primește sau nu curent. Driverul este dotat cu protecție la scurtcircuit sau inversare a conexiunilor, poate monitoriza curentul consumat și operează cu frecvențe PWM de 20 [kHz]. În cazul de față, motoarele de curent continuu cu perii M1, M2 sunt conectate la pinii de ieșire M1A, M1B, respectiv M2A, M2B.
Controlerul furnizează „inteligența” de care este nevoie pentru a controla sistemul. Dar acesta primește informațiile de la sistemul senzoristic. După ce prelucrează informația, evaluează comenzile de control care vor fi trimise către elementele de acționare în scopul îndeplinirii sarcinilor.
Informația în cadrul robotului mobil de tuns gazonul este dată de senzorul inductiv de proximitate IFM 5058 și de trei senzori ultrasonici Parallax PING. Sistemul de control este unul cu buclă deschisă (Fig. 3.46), deoarece controlerul măsoară independent valoarea tensiunii sau curentului necesar motorului de curent continuu cu perii pentru a îndeplini cerința, ca mai apoi să o trimită acestuia. Pentru că nu există un feedback, o reacție inversă din partea elementului acționat, controlerul nu va ști dacă sarcina a fost efectuată.
Motorul reprezentat este cel care acționează robotul mobil, procesul fiind roata care execută mișcarea de rotație, iar variabila controlată – viteza.
Am ales senzorii ultrasonici Parallax PING (Fig 3.47), datorită performanțelor ridicate în comparație cu celelalte modele care s-ar fi pretat acestui obiectiv. măsoară timpul de la emisia semnalului până la receptarea lui, având capacitatea de a detecta obstacole la o distanță aflată în intervalul 20mm-3000[mm]. Sunt alimentați la tensiunea de 5[V], pe care o generează Arduino Mega 2560 și consumă un curent de 20 [mA]. Pinii pentru semnal sunt conectați la pinii 44, 45, 46, conform schemei electrice. Poziționarea lor s-a făcut în partea din față a platformei mobile, dispuși pe semicerc la un unghi de 150°, pentru a acoperi o suprafață cât mai mare de detecție.
Spațiul de lucru al robotului trebuie să fie unul cunoscut și limitat. În urma analizei posibilităților de limitare a spațiului de lucru prin sisteme ca:
– Circuit electric cu frecvență 5-30 [kHz], instalat în iarbă prin care se creează un câmp magnetic cu linii de forță amplasate concentric, ce intră în interacțiune cu spirele unei bobine de inductie montate pe robotul mobil;
– Bandă de culoare albă care să fie sezizată de un traductor fotoelectric,
am decis implementarea unui simplu cablu oțelit cu un diametru de 4 [mm]. Acesta este montat fie la nivelul solului, fie acoperit cu un strat superficial de pământ, fiind detectat de un senzor de proximitate inductiv. Distanța de montaj față de perete, obiecte, arbuști este de 300 [mm]. Toate acestea cereau un senzor cu caracteristici deosebite, care s-au regăsit în componenta producătorului IFM, modelul ID5058 (Fig. 3.47). Valoarea tensiunii de lucru este cuprinsă în intervalul 10-36 [V], are un consum de energie de 20 [mA] la tensiunea de 24 [V] și protecție la polaritate inversă de tip PNP cu o frecvență de comutare egală cu 70 [Hz]. O caracteristică foarte importantă pentru aplicația de față este distanța de comutare, care este egală cu 50 [mm], și distanța de operare, cuprinsă în intervalul 0-40,5 [mm]. Factorul de corecție pentru oțel este 1. Conform producătorului, senzorul poate fi folosit într-un mediu a cărui temperatură poate fi cuprinsă între -25 – 70 [°C] și este protejat împotriva apei: protectiție IP67. [17]
Precum prevede și schema electrică, alimentarea senzorului se face la tensiunea de 12 [V], iar pentru a putea folosi semnalul pe placa de dezvoltare amintită mai sus, am decis realizarea unui circuit electronic (Fig. 3.49) care să poată transforma tensiunea semnalului de ieșire (de 12 [V]) într-o tensiune de 5 [V], aplicată ulterior unei intrări digitale. Pentru aceasta, s-a folosit un optocuplor, componentă care transferă un semnal electric între două circuite izolate prin utilizarea luminii. Așadar, prin intermediul optoizolatorului, împiedicăm tensiunea de 12 [V] să afecteze placa de dezvoltare, legătura directă nefiind permisă.
Comanda și controlul sistemului de tăiere
Sistemul de tăiere este conceput cu un circuit separat, punctele comune fiind acumulatorul LiPo GENS ACE TATTU 22.2 [V]/ 16000 [mA] / 15C și butonul de urgență Eaton/Moeller M22. Am prevăzut în paralel și un buton normal, deschis pentru alimentarea circuitului, care este expus în (Fig. 3.50):
Fiind construit ca un sistem independent, pentru comanda acestuia am ales placa de dezvoltare a aceluiași producător, Arduino Nano (Fig. 3.51), care este construită în jurul microcontrolerului ATmega 328P, arhitectura AVR. Diferența esențială față de Arduino Mega 2560 este numărul de intrări/ieșiri (22), dintre care 8 intrări analogice, 6 ieșiri PWM, dar și portul Mini USB.
Tabel 9 Caracteristi principale Arduino Nano
Pentru controlul motorului de curent continuu fară perii Magnum A4120/7-Bl, am optat pentru regulatorul electronic Brushless Fly Pro 60A (Fig. 3.53), prin intermediul căruia se realizează controlul fin al turației cu liniaritate și răspuns rapid la rotirea potențiometrului. Oferă un circuit de alimentare separat BEC (battery eliminator circuit) ce generează o tensiune de 5 [V] și un curent de 6 [A], la care a fost concetată și placa de dezvoltare Arduino Nano. Dispune de protecție Cut-Off la tensiunea scăzută a bateriei, la blocarea axului sau la pierderea semnalului din receptor. Tot pentru siguranța utilizatorului, regulatorul oferă protecție la pornire accidentală. Ajustarea automată a sincronizării (timing), modificarea sensului de rotație sau protecția circuitului anti-interferențe sunt doar câteva caracteristici ale regulatorului electronic. Nu în ultimul rând, poate susține constant un curent de 60 [A].
Componenta software este cea care susține performanțele robotului mobil de tuns gazonul. Aceasta cuprinde algoritmii de comandă și control care, după ce sistemul de percepție transmite informația, sunt folosiți pentru a lua – în cadrul nivelului decizional – o hotărâre legată de modul în care se realizează sarcinile impuse.
Robotul ca ansamblu de componete hardware și software este proiectat pentru a tunde iarba pe o suprafață cu formă variabilă. Astfel, voi lua în considerare pentru analiză o formă dreptunghiulară, în care voi explica procedura și strategia de navigare. Tăierea nu se face după un tipar rectiliniu, ci după unul aleatoriu care are avantajul eliminării liniilor lăsate de roțile robotului.
Obstacolele sunt notate cu: a, b, c, d;
B, C, D, E, F, G, H sunt variante posibile de navigare;
A reprezintă „mers înapoi”;
Cu linie neagră continuă este reprezentat cablul oțelit;
C1, C2, C3 sunt poziții intermediare ale robotului.
O primă variantă (F) poate fi considerată situația în care robotul trece perpendicular peste cablul oțelit, iar senzorul inductiv din sistemul senzorial detectează prezența acestuia. Strategia de navigare prevede o mișcare rectilinie a robotului cu sensul opus direcției curente de deplasare, pentru ca mai apoi să realizeze o mișcare de rotație față de centrul instantaneu de rotație (CIR) cu un unghi de 45° spre dreapta.
O altă variantă regăsită în (Fig. 3.54) este cea în care senzorul ultrasonic din partea stângă sesizează un obstacol (a) la o distanță mai mică de 300 [mm]. În acest caz, se va repeta deplasarea înapoi (A), urmată de o mișcare de rotație față de centrul instantaneu de rotație cu un unghi de 45° spre dreapta (D).
Dacă obstacolul este în față (b) sau în partea dreaptă (c), robotul se va deplasa în spate cu o distanță prestabilită, după care va efectua o mișcare de rotație spre stanga față de centrul instantaneu de rotație cu un unghi de 45° (B).
În situatia în care robotul a ajuns într-un colț care are un unghi de 90° (H), strategia aplicată de platforma mobilă este aceeași cu cea din situația (F).
Pentru situația (C) am exemplificat o variantă de navigare care necesită mai multe poziții intermediare ale robotului. Astfel, se efectuează deplasarea în sensul opus (A), urmată de viraj la dreapta cu un unghi de 45°, mișcare ce se repetă succesiv de trei ori C1, C2, C3. De fiecare dată, senzorul inductiv este cel care sesizează prezența cablului metalic. Controlerul, pe baza informației primite, ia hotărârea și comandă acționarea motoarelor ce alcătuiesc sistemul de locomoție diferențial.
În continuare, este expusă o secvență din programul scris pe placa de dezvoltare Arduino, care cuprinde strategiile de navigare prezentate mai sus. Varianta integrală a codului se găsește în anexa 1.
void deplaseazaRobotInapoi()
{
md.setSpeeds(400,-200);
delay(4000);
}
void rotesteRobot45GradeDreapta()
{
md.setSpeeds(400,400);
delay(1000);
}
void rotesteRobot45GradeStanga()
{
md.setSpeeds(-400,-100);
delay(1600);
}
void setup() {
md.init();
Serial.begin(115200);
}
void loop() {
citesteSenzoriUltrasonici();
md.setSpeeds(-400,200);
if (pingFataCM < DISTANTA_OBSTACOL && pingFataCM>0 )
{
deplaseazaRobotInapoi();
rotesteRobot45GradeDreapta();
}
Pentru sistemul de tăiere, programul comandă regulatorului electronic modificarea turației în funcție de poziția potențiometrului după cum urmează:
#include <Servo.h>
Servo esc;
void setup()
{
esc.attach(8);
esc.writeMicroseconds(1000);
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{ int val;
val= analogRead(A0);
val= map(val, 0, 1023,1000,2000);
esc.writeMicroseconds(val); }
Capitolul 4
Concluzii
În lucrarea de față am tratat problema proiectării constructiv-funcționale a unui robot autonom pentru servicii. Pentru început, am realizat un studiu amănunțit a literaturii de specialitate, pe baza căruia am întocmit partea teoretică. Aceasta cuprinde clasificarea sistemelor mecatronice a roboților mobili în funcție de mai multe criterii, cum ar fi mediul de acționare, tipuri de locomoție etc.
Am decis, în urma studierii tipurilor de sisteme de locomoție, să utilizez sistemul de locomoție diferențial, caracterizat prin faptul că roțile motoare sunt acționate independent, ceea ce face ca pentru a realiza mișcarea de translație să fie nevoie de acționarea ambelor roți în același sens și cu aceeași tensiune. Pentru realizarea unei mișcări de rotație, se vor acționa roțile în sensuri diferite.
Utilizând pachetul CAD al platformei Catia V5, am realizat modelarea constructivă a întregului produs, pentru a putea stabili variantele constructive optime, dar și pentru poziționarea corectă a componentelor pe placa de bază.
În urma calcului de dimensionare, am ales să folosesc două motoare de curent continuu cu perii, care corespund cerințelor aplicației de față. Pentru acestea, am realizat doi suporți care, împreună cu celelalte piese mecanice, butucul, roțile și sistemele de asamblare demontabile stabilite, să poată crea un subansamblu stabil, cu performanțe ridicate.
În aceeași categorie de proiectare a componentelor hardware, am construit sistemul de reglare a înălțimii care este capabil să realizeze o mișcare de translație, în plan vertical, de 50 [mm], determinând ca înălțimea minimă de tăiere să fie de 13 [mm], iar înălțimea maximă de 63 [mm]. Am realizat calculul organologic de predimensionare a mecanismului șurub-piuliță, cu acționare manuală, prin intermediul căruia culisează sistemul de tăiere, ghidat de două axe și lăgăruit cu ajutorul a doi rulmenți liniari cu bile. Tot în aceeași etapă, am ales motorul de curent continuu fară perii care să antreneze sistemul și să fie capabil să realizeze tăierea chiar și a vegetației lemnoase. Tot în acest scop, am realizat analize cu element finit pentru arborele principal și cuțitele de tăiere.
Alegerea componentelor electronice și dezvoltarea celor specializate a fost următorul pas în proiectarea robotului. De proprietățile acestora depinde stabilirea cu ușurință a legăturii dintre componenta hardware și cea software. Tot în această etapă, am ales tipurile de senzori care intră în componența sistemului de percepție.
Am realizat programele pentru sistemul de locomoție și de tăiere, iar pe baza algortimilor și a strategiilor de navigare, controlerul dă comenzi elementelor de execuție pentru ca robotul să-și atingă obiectivul cu promptitudine.
Pe viitor, se dorește îmbunătățirea robotului autonom de tuns gazonul. Aceasta se poate face prin automatizarea sistemului de reglare a înălțimii, prin montarea de noi senzori, precum cel GPS, pentru o orientare mai precisă, dar și pentru posibilitatea navigării autonome a acestuia la stația de încărcat. Senzori precum cel de umiditate sau temperatură pot fi introduși pentru a se evita tunderea pe timp ploios sau a iebii ude. Nu un ultimul rând, un senzor giroscopic poate detecta ridicarea robotului de pe suprafața de lucru, moment în care o alarmă poate sesiza tentativa de furt. Întregului ansamblu îi pot fi aduse modificări în scopul creșterii calității și a performanțelor.
Bibliografie
[1]Bogdanov, Ivan: Conducerea roboților, Timișoara, Editura Orizonturi universitare, 2010.
[2]Chicea, Anca Lucia, Mihai Crenganiș: Bazele sistemelor mecatronice, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2017.
[3]Crompton, T. R.: Baterry reference book: third edition, Newnes, 2000.
[4]Czech Institute of Informatics, Robotics and Cybernetics: Mobile robot locomotion and kinematics principles.
[5]Dolga, V.: Senzori și traductoare, Timișoara, Editura Eurobit, 1999.
[6]Dudek, G., M. Jenkin: Computational Principles of Mobile robotics, Cambridge University Press, 2000.
[7]Florea, Radu, Viorel Florea, Adriana Florea, Marius Cristescu: Organe de mașini, București, Editura Tehnică, 2007.
[8]http://iota.ee.tuiasi.ro/~mpobor/doc/Cursuri/RICurs4.pdf.
[9]http://mecatronica.ro/definitie_mecatronica.html.
[10]http://ro.scribd.com/doc/217913155/Curs2-Rob-Mob-13-14#.
[11]http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/Motoare.pdf.
[12]http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/MPP_Constructie_Functionare.pdf.
[13]https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid=dWxic2liaXUucm98bGF1cmVhbi1ib2dkYW58Z3g6NjExNWQwMjExOGRlNTMxZg. [14]https://pdfs.semanticscholar.org/presentation/9e9f/62328b8bd643e6cdf3dc0495f1331af2b9f3.pdf.
[15]https://www.bosch-garden.com/gb/en/garden-tools/indego-home.jsp.
[16]https://www.husqvarna.com/ro/products/masini-robotizate-de-tuns-gazonul/.
[17]https://www.ifm.com/cn/en/product/ID5058.
[18]https://www.scribd.com/doc/50020674/Motorul-de-Curent-Continuu.
[19]https//www.viking-garden.com/imow-robotic-mowers.aspx#imow.
[20]Jula, A., E. Chișu: Mecanisme șurub – piuliță îndrumar de proiectare, Editura Lux Libbis, Brașov 2000.
[21]Laurean, Bogdan: Automatizarea în sisteme de producție, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2003.
[22]Pistoia, Gianfranco: Baterries for portable devices, Elsevier, 2005.
[23]Racz, S.G., Claudia Gîrjob, Cristina Biriș: Sisteme hidraulice de acționare: îndrumar de laborator, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2016.
[24]Racz, S.G., Claudia Gîrjob: Sisteme hidraulice de acționare, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2016.
[25]Telea, Dorin: Bazele Roboticii, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2010.
[26]Telea, Dorin: Sisteme flexibile de producție, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2014.
[27]Tera, Melania, Bogdan Laurean, Radu-Eugen Breaz: Acționări și comenzi electrice: Îndrumar de laborator, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2010.
[28]Traductoare de poziție și deplasare: https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid=dWxic2liaXUucm98bGF1cmVhbi1ib2dkYW58Z3g6N2NjNTc0NDk0NDljZTRmMA.
[29]Traductoare – Principii: https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid=dWxic2liaXUucm98bGF1cmVhbi1ib2dkYW58Z3g6NjExNWQwMjExOGRlNTMxZg.
[30]Țârulescu, R.: Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili: teză de doctorat, Universitatea Transilvania din Brașov, 2014.
Anexa 1
#include "DualVNH5019MotorShield.h"
#include <NewPing.h>
//Distanța maximă care poate fi citită de către senzori
#define MAX_DISTANCE 200
//Setarea pinilor senzorilor ultrasonici
#define PING_STANGA 24
#define PING_FATA 26
#define PING_DREAPTA 22
#define SENZOR_INDUCTIV 52
//Distanța la care este sesizat obstacolul
#define DISTANTA_OBSTACOL 20
//#define DEBUG_SENZORI
NewPing pingStanga(PING_STANGA, PING_STANGA, MAX_DISTANCE);
NewPing pingFata(PING_FATA, PING_FATA, MAX_DISTANCE);
NewPing pingDreapta(PING_DREAPTA, PING_DREAPTA, MAX_DISTANCE);
DualVNH5019MotorShield md;
//Variabile de intrare
float pingStangaCM;
float pingFataCM;
float pingDreaptaCM;
int senzorInductiv;
void citesteSenzoriUltrasonici()
{
// Citirea distanței de pe senzorul din stânga
pingStangaCM=pingStanga.ping_cm();
#ifdef DEBUG_SENZORI
Serial.print("Ping_stanga: ");
Serial.print(pingStangaCM);
Serial.println("cm");
#endif
delay(10);
// Citirea distanței de pe senzorul din față
pingFataCM=pingFata.ping_cm();
#ifdef DEBUG_SENZORI
Serial.print("Ping_fata: ");
Serial.print(pingFataCM);
Serial.println("cm");
#endif
delay(10);
// Citirea distanței de pe senzorul din dreapta
pingDreaptaCM=pingDreapta.ping_cm();
#ifdef DEBUG_SENZORI
Serial.print("Ping_dreapta: ");
Serial.print(pingDreaptaCM);
Serial.println("cm");
#endif
delay(10);
}
void deplaseazăRobotÎnapoi()
{
//dă robotul înapoi
md.setSpeeds(400,-200);
delay(4000);
}
void rotesteRobot45GradeDreapta()
{
//Rotire 45 grade la dreapta
md.setSpeeds(400,400);
delay(1000);
}
void roteșteRobot45GradeStanga()
{
//Rotire 45 de grade stanga
md.setSpeeds(-400,-100);
delay(1600);
}
void setup() {
// Inițializare driver motoare
md.init();
//Setam band rate pentru comunicația pe serial
//ca sa putem citi valoarea senzorilor
Serial.begin(115200);
}
void loop() {
//Procedura care citește senzorii ultrasoni
//Senzorul stanga, față și dreapta
citesteSenzoriUltrasonici();
// Se comandă motoarele
// Robotul se deplasează în față
md.setSpeeds(-400,200);
//Verificăm dacă senzorul față dă o distanță mai mică decât DISTANȚA_OBSTACOL
if (pingFataCM < DISTANTA_OBSTACOL && pingFataCM>0 )
{
//> distanța este mai mică
//Robotul se deplasează înapoi
deplaseazăRobotÎnapoi();
//Rotire 45 de grade la dreapta
rotesteRobot45GradeDreapta();
}
// Verificăm dacă senzorul stanga dă o distanta mai mică decât DISTANTA_OBSTACOL
if (pingStangaCM < DISTANTA_OBSTACOL && pingStangaCM>0)
{
//> distanța este mai mică
//Robotul se deplasează înapoi
deplaseazaRobotInapoi();
//Rotire 45 de grade la dreapta
rotesteRobot45GradeDreapta();
}
// Verificăm dacă senzorul stanga dă o distanța mai mică decât DISTANTA_OBSTACOL
if (pingDreaptaCM < DISTANTA_OBSTACOL && pingDreaptaCM>0)
{
//- distanța este mai mică
//Robotul se deplasează înapoi
deplaseazăRobotÎnapoi();
//Rotire 45 de grade stânga
rotesteRobot45GradeStanga();
}
// Citim valoarea dată de senzorul inductiv
// poate sa fie 0 sau 1
// 0 – nu a detectat nimic
// 1 – detectează metal
senzorInductiv=digitalRead(SENZOR_INDUCTIV);
#ifdef DEBUG_SENZORI
Serial.print("SENZOR_INDUCTIV = ");
Serial.println(senzorInductiv);
#endif
// Verificăm dacă senzorul inductiv a detectat metal
if (senzorInductiv == 1)
{
// Senzorul dă valoare 1
// Robotul se deplasează înapoi
deplaseazaRobotInapoi();
// Rotire cu 45 de grade la dreapta
rotesteRobot45GradeDreapta();
}
}
OPIS:
Prezenta lucrare de licență conține:
Partea scrisă:
– 99 pagini format A4;
– 100 de figuri în text;
– 56 de relații matematice;
– 8 tabele.
Partea grafică:
– echivalentul a 1 format A1 – desen de ansamblu;
– echivalentul a 1 format A4 – desen de execuție.
Absolvent:
Morariu Fineas
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: PROIECTAREA ȘI REALIZAREA UNUI ROBOT MOBIL PENTRU SERVICII [307908] (ID: 307908)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.