SISTEME AUTONOME DE NIVEL TACTIC 2.1 Mecatronică aplicată în robotică Ca un scurt istoric, termenul „mecatronică” a fost utilizat pentru prima oară… [309864]

CAPITOLUL 1

INTRODUCERE

CAPITOLUL 2

SISTEME AUTONOME DE NIVEL TACTIC

2.1 [anonimizat] „mecatronică” a fost utilizat pentru prima oară în anul 1969 [anonimizat] o prescurtare a [anonimizat]-Informatică. Yaskawa a înregistrat cuvântul ca marcă comercială în Japonia în 1971, apoi a eliberat dreptul de a [anonimizat] „mecatronică” a fost răspândit în restul lumii. Cu terminologia „i3-mechatronics” Yaskawa introduce trei cuvinte suplimentare: inteligente, [anonimizat].

Termenul a fost tradus în toate limbile și este considerat un termen esențial pentru industrie. [anonimizat] s-a înțeles o completare a [anonimizat] s-a extins și și-a schimbat sensul. Este o știință inginerească bazată pe: [anonimizat], electronică și informatică. Scopul acesteia este de a uni diverse domenii pentru optimizarea funcționalităților unor sisteme tehnice.

Figura 2.1 – [anonimizat]. [anonimizat]. Noțiunea de ,,robot” a fost introdusă pentru prima oară de către Karel Čapek în anul 1921 în lucrarea sa intitulată “Roboții universali ai lui Rossum”, [anonimizat] [5].

[anonimizat].

Din punctul de vedere al mobilității roboții pot fi clasificați în: staționari și mobili. [anonimizat]-și adapteze comportamentul la împrejurimile lor. În loc să efectueze o secvență fixă ​​[anonimizat] o conștientizare a mediului lor prin interacțiunea cu diferiți senzori. Ei folosesc informațiile achiziționate de la senzori pentru a determina cele mai bune acțiuni pe care trebuie să le întreprindă. [anonimizat], este în continuare centrul de interes pentru majoritatea proiectelor de dezvoltare.

[anonimizat], acei roboți care se pot mișca din loc în loc de-a lungul pământului. Mobilitatea oferă unui robot o flexibilitate mult mai mare pentru a [anonimizat]. Roboții mobili se pot deplasa acolo unde este necesar. Datorită mobilității pot îndeplini sarcini mai natural în care mediul nu este proiectat special pentru ei. Un robot mobil are nevoie de mecanisme de locomoție care să-i permită să se miște liber în mediul său.

Tipuri de roboți:

Robot mobil teleghidat;

Robot autonom;

Robot umanoid;

Robot industrial;

Robot militar.

2.2 Roboți mobili

Roboții mobili sunt o parte spectaculoasă și reprezentativă pentru sistemele mecatronice. [anonimizat]: [anonimizat], [anonimizat] o structură mecanică mai mult sau mai puțin complexă, cu motoare de acționare care asigură deplasarea în mediul înconjurător, cu senzori care îi permit orientarea, identificarea și evitarea obstacolelor și cu un „creier”, constituit dintr-unul sau mai multe procesoare numerice, care asigură comanda întregului sistem [7].

Cererea pentru aplicațiile cu roboții mobili a avut o creștere semnificativă în ultimele decenii și a devenit un câmp de dezvoltare rapidă în cercetarea interdisciplinară din cadrul roboticii. Acest domeniu promițător a atras atenția academicienilor, industriei, precum și mai multor agenții guvernamentale. În prezent, roboții mobili sunt utilizați într-o varietate de sarcini, de la securitate la serviciul personal. Cu toate acestea, în viitorul apropiat se preconizează o utilizare și mai intensă a roboților. De exemplu, cererea de roboți de consum pentru diverse aplicații este în creștere în prezent. Diferite aplicații necesită funcționarea roboților mobili în medii diverse. Unii roboți sunt proiectați pentru a opera în interior, unii în aer liber, iar alții trebuie să poată funcționa în ambele medii. Roboții care operează în exterior prezintă un risc mai mare de blocare și astfel trebuie ales un mecanism de deplasare ținând cont de suprafața de acțiune. Mediile interioare sunt în general netede și bine structurate.

2.2.1 Roboți mobili cu șenile

Roboții mobili care utilizează șenile în mecanismul de deplasare sunt o modificare a roboților mobili pe roți, unde seturile de roți (de obicei, mecanism compus din două roți) conduc cel puțin două șenile care sunt în contact cu suprafața de deplasare și împing robotul în direcția dorită. Acești roboți sunt mai greu de realizat, deoarece prezintă un mecanism de deplasare mai complex decât în cazul roboților pe roți, iar pe lângă realizarea mecanismului de deplasare trebuie luat în calcul un mecanism pentru întinderea șenilei. Alegerea tipului de transmisie se face în funcție de aplicație și condițiile de exploatare. Pe partea exterioară a șenilei poate fi fixată o dantură în “V” pentru a reduce alunecarea – figura 2.2.

Acești roboți îndeplinesc sarcina deplasării pe un teren foarte dur. Roboții pe șenile au un contact foarte mare cu suprafața de deplasare, oferindu-le o tracțiune și o stabilitate sporită chiar și pe suprafețele alunecoase. Cu toate acestea, din cauza suprafeței mari de contact dintre șenile și sol, schimbarea direcției robotului necesită o întoarcere în derapare (șenilele se deplasează în direcții diferite). De regulă, roboții pe șenile sunt folosiți în condiții mai grele, mai ales în aplicațiile militare.

Figura 2.2 – Robot mobil cu șenile

2.2.2 Roboți mobili cu roți

Roboții care utilizează cel puțin două roți în alcătuirea mecanismului de deplasare fac parte din categoria roboților mobili și sunt cei mai utilizați datorită eficienței acestei metode de deplasare. În funcție de aplicație și de condițiile de exploatare se poate modifica cu ușurință numărul roților care fac posibilă deplasarea acestuia. Roboții cu roți se pot deplasa mult mai ușor și mai rapid decât roboții care utilizează un alt tip de propulsie. Datorită zonei de contact relativ mici între roți și a suprafeței plane, roboții consumă mai puțină energie pentru viraje în comparație cu roboții pe șenile. Comparativ cu roboții pe șenile, aceștia sunt mult mai silențioși datorită simplității mecanismului de deplasare. Roboții pe roți pot fi proiectați în orice formă și dimensiune dorită.

Avantajul consumului mic de energie datorat suprafeței mici de contact cu solul este anulat atunci când robotul se deplasează pe un teren moale sau alunecos. În condițiile descries anterior, forța de frecare cu solul este atât de mare încât se pierde controlul robotului. Pentru a minimiza acest dezavantaj se folosesc roți din materiale special cu scopul reducerii frecărilor.

Figura 2.3 – Robot mobil cu roți

2.3 Roboți militari

În teatrele de operații soldații sunt supuși unor riscuri mari în timpul executării unor misiuni specifice. Roboții pot rezolva misiunile periculoase ca: deminarea, dezamorsarea bombelor sau pur și simplu să privească inamicii. Sunt ușor de utilizat și întreținut, deoarece nu au nevoie de alimente sau de câțiva ani de antrenament pentru a putea să-și îndeplinească misiunile.

Sistemele militare autonome au devenit parte integrantă a oricărei armate moderne. Acestea au fost folosite de forțele armate în întreaga lume timp de mai multe decenii. Toate acestea își pot urmări trecutul până la Primul Război Mondial, iar importanța lor pentru câmpurile de luptă ale viitorului este setată să crească exponențial. Astăzi pot fi găsite diverse roluri de luptă de la căutare și salvare, dezarmare explozivă, sprijin în caz de incendiu, recunoaștere, sprijin logistic. Probabil că, în curând, vom vedea în viitorul apropiat sistemele autonome letale automatizate pe deplin automate, făcând posibil ca rolul soldatului uman să fie depășit.

Sistemele autonome pentru armată, numite și roboți autonomi sau drone controlați la distanță, au avut o istorie surprinzător de lungă și interesantă. Deși s-au dovedit a fi folosiți pe scară largă în ultimii ani, primii roboți au fost folosiți în timpul Primului și celui de-al Doilea Război Mondial. Pe parcursul Primului Război Mondial, diferiți inventatori au creat dispozitive explozive de mici dimensiuni controlate de la distanță. Unul dintre primii roboți militari a fost crocodilul francez “Schneider” care avea o încărcătura explozivă de 40kg (figura 2.4). De asemenea, Germania a dezvoltat un robot utilizat pentru demolări având o încărcătură explozivă cuprinsă între 60 și 100 de kg denumit Leichter Ladungstrager Goliath (figura 2.5). Goliath cântărea aproape 3660kg și era controlat prin fir cu lungimea maximă de întindere 640m. În anul 1944, România a dezvoltat o variantă a acestui robot. Nu a depășit faza de prototip și cântărea aproximativ două tone.

Odată cu dezvoltarea producțiilor în domeniul electronicii au început și cercetările sistemelor autonome de armament în domeniul apărării. În prezent se pune foarte mare accent pe dezvoltarea roboților militari pentru protecția personalului luptător în teatrele de operații.

Figura 2.4 – Crocodilul francez Schneider

Figura 2.5 – Robotul german Goliath

Evoluția tehnologică în domeniul electronicii a început cu o dezvoltare accelerată după al Doilea Război Mondial și a continuat după acesta. În această perioadă au fost fabricate primele calculatoare electronice și astfel a fost posibilă dezvoltarea unor aplicații mult mai complexe în acest domeniu. Apariția electronicii din generația a treia a condus la o explozie de utilizare a dispozitivelor electronice și calculatoare, dar mai ales utilizarea circuitelor integrate din această generație în dezvoltarea microprocesoarelor. Astfel, domeniul roboticii s-a extins foarte mult și au fost posibile realizarea unor aplicații uluitoare în domeniul militar. Roboții militari pot executa trageri cu diferite sisteme de armament, pot fi trimiși în misiuni de recunoaștere și deminare ș.a.m.d.

În momentul de față există foarte multe variante de roboți ce pot fi utilizați în aplicații militare, dar voi prezenta robotul LT2/F “Bulldog” de la SDR. Acesta este un robot de supraveghere dotat cu un brat robotic multi-ax detașabil, ceea ce îl face și mai versatil pentru diferite aplicații. Modelul LT2/F a fost calificat în timpul unei serii de teste NIST (National Institute of Standards and Technology). Este capabil să urce scările și obstacolele obișnuite, dar are incluse și două brațe pe spate pentru stabilizare și care permit ridicarea părții frontale pe obstacole ridicate sau pentru a preveni răsturnarea. Brațul detașabil cu mai multe axe face ca acest robot să fie un instrument versatil pentru eliminarea pachetelor suspecte, supravegherea de la distanță, deschiderea ușilor, dezamorsări etc. Fără braț, robotul este ideal pentru verificarea sub autoturisme, paturi etc. Dintre caracteristicile tehnice, putem menționa: o autonomie de 8 ore, viteza maximă este 2.5 km/h, masa este de 38 kg, lungime 76.2 cm, lățime 48.2 cm și înălțime 45.7 cm, este controlat prin radio pe frecvențele 2.4/5.8 GHz de la OCU (Operator Control Unit).

Figura 2.6 – Robotul LT2/F cu braț montat

În momentul de față, România este înzestrată cu astfel de roboți folosiți în aplicațiile EOD și sunt în subordinea Ministerului Apărării Naționale. Se încearcă dezvoltarea roboților cu diferite capabilități în Academia Tehnică Militară “Ferdinand I” și la Agenția de Cercetare pentru Tehnică și Tehnologii Militare.

CAPITOLUL 3

PROIECTAREA ȘASIULUI

3.1 Elemente fundamentale de teoria mecanismelor

MECANISMUL este un sistem de corpuri realizat în scopul transformării unei forme de mișcare în altă formă de mișcare, transmiterii unei mișcări sau efectuării unui lucru mecanic [1].

Din punct de vedere constructiv, mecanismele pot fi:

mecanisme cu bare;

mecanisme cu roți dințate;

mecanisme cu camă;

mecanisme cu bare și roți dințate.

Putem clasifica mecanismele și după funcțiile îndeplinite de acestea:

Mecanisme cu funcții cinematice:

pentru transmiterea mișcărilor;

pentru transformarea mișcărilor;

pentru ghidarea unui punct, a unei drepte sau a unui plan.

Mecanisme cu funcții de forță:

pentru transmiterea forțelor;

pentru transformarea forțelor;

cu funcții mixte.

Mecanismele cu roți dințate prezintă mai mult interes în lucrarea de față și pe parcursul acestui subcapitol introductiv voi prezenta noțiunile fundamentale pentru realizarea mecanismului de deplasare.

ANGRENAJUL este mecanismul format din două roți dințate, care prin intermediul danturilor aflate în contact transmit mișcarea de rotație și cuplul de răsucire de la un arbore conducător la un arbore condus. Se folosește în domenii variate, de la roboți industriali la ceasornice.

Cele mai folosite angrenaje pentru realizarea mecanismului de deplasare în construcția roboților de nivel tactic sunt angrenajele cilindrice cu dantură interioară dreaptă. Angrenajul cilindric interior este alcătuit din două roți dințate, una cu dantură interioară (în cazul mecanismului de deplasare – șenila) și una cu dantură exterioară.

ANGRENAREA este procesul continuu de contact dintre dinții roților unui angrenaj, în vederea asigurării mișcării continue a acestora [2].

Motoarele electrice generează o mișcare de rotație arborelui în jurul axei sale. Un avantaj al acestei mișcări ar fi ușurința cu care pot fi realizate corpurile de rotație folosite în mecanismele care operează cu acest tip de mișcare. Se pune problema transformării vitezei de rotație în viteză de translație, în cazul mecanismelor de deplasare. Pentru transformarea mișcării de rotație în mișcare rectilinie continuă sau invers se utilizează mecanisme de tipul: șurub – piuliță, roată dințată – cremalieră.

TRANSMISIA MECANICĂ este un ansamblu cinematic de elemente care are ca scop transmiterea mișcării de rotație cu sau fără transformarea acesteia însoțită de transmiterea energiei mecanice.

O scurtă clasificare a transmisiilor mecanice ar putea fi făcută din punct de vedere constructiv:

transmisii prin curele (late sau dințate);

transmisii prin lanțuri.

Transmisiile prin curele sunt utilizate pentru a transmite mișcarea de rotație și a puterii de la un arbore motor la unul sau mai mulți arbori conduși.

Figura 3.1 – Transmisia prin curele

În figura 3.1 este prezentată schematic o transmisie prin curele formată din: o roată fixată pe arborele conducător A (DRIVER), o roată fixate pe arborele condus B (DRIVEN) și cureaua care înfășoară roțile sub forma unei benzi infinite. Porțiunea care înfășoară roata conducătoare se numește ramura conducătoare a curelei, iar porțiunea care înfășoară roata condusă se numește ramura condusă. Transmiterea mișcării de la arborele A la arborele B are loc datoriă forțelor de frecare care apar între suprafața curelei și periferiile roților, pe porțiunile de contact. Pe lângă forțele de frecare, mai apar și forțele care apasă cureaua pe roti atunci când este întinsă. Atunci când distanța dintre axe este constantă, iar restabilirea întinderii inițiale se realizează prin scurtarea curelei putem discuta despre o transmisie simplă.

La transmisiile fără alunecare, transmiterea sarcinii se realizează prin contactul direct dintre dinții roții și dantura curelei dințate.

Avantajele transmisiilor prin curele:

costurile de fabricație relativ mici;

transmiterea puterii cu randament ridicat, în medie ɳ = 0,96;

transmiterea puterii la distanțe mari între arbori;

fiabilitatea curelei;

posibilitatea înlocuirii ușoare a curelei.

Dezavantajele transmisiilor prin curele:

după un anumit timp de funcționare, cureaua suferă deformații remanente și necesită o corecție a întinderii acesteia;

exercitarea unor forțe mari pe arbori;

raportul de transmisie nu este constant;

neuniformitatea mișcării roților conduse, datorită înfășurării după un contur poligonal;

folosirea dispozitivelor de întindere;

durabilitate limitată;

imposibilitatea folosirii în condiții grele de exploatare (sensibile la caldură și umiditate).

Figura 3.2 – Clasificarea curelelor

În funcție de forma secțiunii curelele pot fi:

curele rotunde (figura 3.2 a);

curele trapezoidale (figura 3.2 b);

curele late (figura 3.2 c);

curele dințate (figura 3.2 d).

Pe parcursul capitolului se vor mai prezenta noțiuni teoretice despre roți dințate și transmisiile dințate sincrone.

3.2 Proiectarea platformei mobile utilizând CATIA v5

Proiectarea în ingineria mecanică este în principal o activitate creativă care implică un proces decizional rațional. În general, proiectarea este îndreptată spre satisfacerea unei nevoi speciale prin intermediul unui sistem mecanic. Specificațiile de performanță și definiția detaliată corespund sarcinii finale a activității de proiectare. Prin urmare, există numeroase metode de proiectare a unei platforme mobile. Pe lângă creativitatea proiectantului dovedită prin alegerea formei, există o mulțime de posibilități în realizarea mecanismului de deplasare, mecanismului de schimbare a direcției etc. Trebuie să se țină cont de condițiile de exploatare și costurile necesare realizării acestei platforme. Forma și dimensiunile șasiului sunt foarte importante și pot reprezenta un impact major pentru performanțele robotului.

Toate piesele șasiului au fost realizate cu ajutorul programului CATIA v5 utilizat în ingineria mecanică pentru modelarea tridimensională a unor ansambluri mecanice. Programul CATIA v5 (Computer Aided Three dimensional Interactive Applications) este un produs al companiei Dassault Systemes, fiind unul dintre cele mai folosite sisteme integrate CAD (Computer Aided Design) pe plan mondial. Deși numărul de module implementate în CATIA este foarte mare, le voi aminti pe cele utilizate în realizarea proiectului:

CATIA Sketcher – creează schița unui profil în două dimensiuni, fiind un punct de plecare obligatoriu în procesul de obținere a unui obiect tridimensional;

CATIA Part Design – se utilizează la concepția pieselor mecanice în trei dimensiuni. Se recomandă utilizarea acestui modul împreună cu CATIA Sketcher;

CATIA Assembly Design – permite generarea unui ansamblu de piese utilizând diverse constrângeri mecanice pentru poziționarea acestora și stabilirea contactelor de suprafețe;

CATIA Drafting – posedă instrumentele necesare pentru a obține desenele de execuție ale pieselor și ansamblurilor create.

Figura 3.4 – Vederea platformei din diferite unghiuri

În figura 3.4 este prezentată varianta de realizare a platformei în mai multe poziții. Am ales această variant, deoarece prezintă un risc mai mic de rostogolire, iar realizarea practică nu necesită operații speciale cu un cost ridicat. Platforma mobilă este simetrică pe cele două axe pentru a asigura funcționarea continuă în cazul răsturnării și astfel nu implică o grijă în plus a utilizatorului. Pentru a evidentia caracteristica de simetrie, figura 3.3 B este prezentată atât vederea de sus, cât și vederea de jos a platformei (valabil și pentru părțile laterale – figura 3.3 C). Partea frontală a platformei este decupată pentru a permite montarea camerei video. Forma pătratică a robotului oferă o stabilitate ridicată. Șasiul este etanș și nu prezintă pericole în cazul exploatării în condiții meteorologice nefavorabile. Detaliile privind fiecare piesă vor fi prezentate pe parcursul acestui capitol.

Figura 3.5 – Realizarea 3D a platformei mobile în CATIA V5

Pe parcursul acestui capitol voi prezenta atât piesele care compun mecanismul de deplasare, cât și componentele aflate pe plan secundar ca importanță, precum cele care dau forma geometrică a platformei mobile deoarece pot fi înlocuite cu ușurință.

Figura 3.6 – Roata dințată conducătoare

În figura 3.6 este prezentată roata dințată conducătoare (DRIVER) a robotului. Este realizată din teflon, cu un diametru de 178.5mm și distanța dintre doi dinți de aproximativ 13.5mm. Alături de roata dințată condusă (DRIVEN) și șenilă formează mecanismul de deplasare. Dimensiunile roții conduse sunt identice, dar este schimbată metoda de abordare a problemei. Roata dințată conducătoare este rotită de către arborele motorului de curent continuu, prin urmare, cu ajutorul axului (figura 3.7) care este fixat în cele patru găuri de roata dințată și blocat în capăt de pana arborelui această roată va fi rotită în sensul dictat de motor. Mișcarea de rotație a roților conduse este realizată cu ajutorul a către 2 rulmenți pe fiecare parte (figura 3.9). Rulmenții folosiți sunt 6202 2RS cu diametrul interior de 15mm și cel exterior de 30mm (notația 2RS înseamnă că acești rulmenți vor avea protecție din plastic pe ambele părți). Găurile alungite ale axului au rolul de a întinde șenila și este fixat cu ajutorul a patru șuruburi M8 sudate de lateralele robotului pentru o mai bună fixare și pentru a asigura etanșarea în acele puncte. Sistemul de întindere este un element cheie într-o astfel de transmisie, deoarece apare forța de apăsare a curelei pe roțile dințate printr-o deformare elastică a curelei. Trebuie precizat că pentru a se realiza etanșarea șasiului au fost folosite două simeringuri cu diametrul interior de 8mm pentru a nu lăsa apa să pătrundă în interior pe lângă arborii motoarelor, iar în partea de sus capacul este strâns cu 10 șuruburi M5 pe o ramă acoperită cu un material cauciucat și fixat cu silicon.

Dimensiunile robotului au fost alese plecând de la cerințele de proiectare, dar s-a ținut cont și de câteva considerente privind stabilitatea, urmând ca în viitor pe acest șasiu să fie montat un braț robotic pentru utilizarea acestuia în diverse aplicații. În figura 3.6 sunt prezentate dimensiunile principale ale robotului și anume: lungime șasiu = 585mm, lățime șasiu = 400mm și înalțime șasiu = 140mm.

Figura 3.7 – Axul de prindere a roții conducătoare

Figura 3.8 – Ansamblul roții conducătoare

Figura 3.9 – Roata dințată condusă și axul de prindere

Pentru că există riscul ca în timpul virajelor șenila să fie mișcată și astfel să iasă din angrenajul realizat sunt fixate patru role de susținere și de întindere a șenilei cu ajutorul a patru tije din metal (figura 3.10). Aceste tije sunt prinse de patru șuruburi sudate de șasiu, iar rolele sunt fixate pe canalele șenilei prin intermediul a opt bucșe, astfel se elimină pericolul ca aceste role să „calce” pe lângă canalul șenilei și astfel să îngreuneze mișcarea întregului mecanism.

Figura 3.10 – Rolele de susținere a șenilei

Figura 3.11 – Canalul de deplasare al rolelor

În figura 3.11 este prezentată o captură de ecran a proiectului realizat în modulul Assembly Design. Fiecare componentă a fost realizată în modulul Part Design, iar ulterior au fost asignate constrângeri pentru realizarea ansamblului. După aplicarea butonului Explode în modulul Assembly Design părțile componente sunt aruncate pe suprafața de lucru și se pot observa cu ușurință. Această funcție este structurată pe mai multe niveluri pentru a se putea urmări pașii necesari care conduc la finalizarea proiectului. În figura 3.13 a fost aplicat butonul Explode pentru ultimul nivel.

Figura 3.12 – Captură de ecran din CATIA v5

Figura 3.13 – Captură de ecran din CATIA v5 după aplicarea butonului Explode

3.3 Analiza mecanismului de deplasare

Platformele mobile pe șenile sunt o modificare a platformelor mobile pe roți, unde seturile de roți conduc cel puțin două curele sau lanțuri, care la rândul lor intră în contact cu solul și propulsează platforma în direcția dorită. Pe partea exterioară a curelei (late sau dințate) poate fi realizată o dantură pentru a reduce alunecarea pe teren. Un avantaj al acestor platforme mobile este aria mai mare de contact dintre platformă și teren. Prin urmare, exercită o forță mult mai mică pe unitatea de suprafață care este traversată decât o platformă cu roți cu aceeași masă.

Transmisia cuplului la sol a fost realizată prin intermediul a două curele dințate continue din material cauciucat rigidizat. Este o platformă mobilă cu geometrie fixă realizată din: două curele dințate continue cu dantură exterioară, două roți dințate conducătoare, două roți dințate conduse și opt role de susținere. În figura de mai jos este prezentată transmisia aleasă cu următoarele considerente: Pb – pasul danturii curelei, Dd1 – diametrul roții dințate conduse, Dd2 – diametrul roții dințate conducătoare și A – distanța dintre axele roților dințate. La transmisiile prin curele dințate, prin practicarea dinților atât pe suprafața curelei, cât și a roților de curea, transmiterea mișcării și a puterii se realizează printr-un proces analog angrenării a două roți dințate și, deci, se poate asigura un raport de transmitere riguros constant [3]. Din acest motiv, aceste transmisii se numesc sincrone. Transmiterea sarcinii este realizată prin contactul direct dintre dantura roților și dantura curelei, fiind o transmisie fară alunecare.

Figura 3.14 – Transmisia prin curele dințate

Condiția de angrenare a mecanismului este: Pb = Pb1 = Pb2, unde Pb1 și Pb2 – pasul danturii roții conducătoare, respectiv pasul danturii roții conduse [3].

Transmisiile mecanice prin curele dințate prezintă câteva avantaje comparativ cu celelalte tipuri de transmisii mecanice:

Blocarea pe un teren moale, noroi sau zăpadă este mult mai puțin probabilă, deoarece distribuie greutatea platformei pe o suprafață de contact mai mare și în cele mai multe cazuri curelele au și o dantură exterioară;

Amortizează șocurile și vibrațiile;

Costuri de fabricație reduse;

Funcționează la viteze mari;

Oferă manevrabilitate ridicată prin controlul diferențial al curelelor și astfel se pot realiza mișcări circulare cu rază constantă de acțiune.

Cureaua dințată este realizată dintr-un element de înaltă rezistență 1, înglobat într-o masă compactă de cauciuc sau material plastic 2. Suprafața exterioară și zona danturată sunt protejate cu un strat 3, din țesături din fibre sintetice rezistente la uzură și la agenți chimici și termici. Elementul de rezistență 1 poate fi realizat din cabluri metalice, din fibre de poliester sau fibre de sticlă. Datura este prezentă pe ambele părți ale curelei dințate [9].

Figura 3.15 – Compunerea curelei dințate

Figura 3.16 – Dimensiunile danturii șenilei

3.4 Realizarea fizică a platformei mobile

Pentru a se putea finaliza acest proiect a fost necesară realizarea fizică a fiecărei componente pe baza desenelor tehnice create, dar cu mici modificări ale dimensiunilor datorită metodelor de prelucrare a materialelor. Piesele au fost realizate într-un atelier specializat dotat cu uneltele și aparaturile necesare. Materialele folosite au fost diferite pentru fiecare parte: componentele șasiului (capacul, scutul, părțile laterale, frontale și posterioare) au fost realizate din tablă cu grosimea de 2mm, roțile dințate au fost realizate din teflon, iar cele patru axuri ale roților au fost realizate din fier. Partea electrică va fi montată pe un suport din polimetacrilat de metil (plexiglas) verde.

Realizarea fizică a platformei mobile s-a realizat în mai multe etape:

Prima etapă a constat în realizarea pieselor componente;

În a doua etapă s-a finalizat îmbinarea componentelor prin sudură. Dimensiunile pieselor au fost respectate întocmai și nu au existat probleme la îmbinarea acestora;

A treia etapă a fost dedicată finisării lucrărilor anterioare (figura 3.17);

Ultima etapă – aplicarea unui strat de grund și de vopsea pentru protejarea platformei împotriva ruginii și montarea celorlalte componente (figurile 3.18 și 3.19).

Majoritatea componentelor au fost ușor de realizat, mai puțin prelucrarea danturii roților dințate care au fost realizate prin frezare și a fost necesară o precizie de prelucrare mai ridicată comparativ cu celelalte piese. Procesul de ansamblare a șasiului a început prin fixarea părților frontale pe scutul acestuia. După sudarea părților laterale întreg ansamblul a fost polizat pentru obținerea unor suprafețe fine în locurile unde s-au efectuat îmbinările pieselor. Pentru sudura pieselor nu au fost necesare operații speciale. Vopsirea șasiului s-a realizat cu ajutorul unui pistol de vopsit cu aer comprimat.

Figura 3.17 – Șasiul după a treia etapă

Figura 3.18 – Șasiul după aplicarea stratului de grund

Figura 3.19 – Șasiul după aplicarea stratului de vopsea bej și montarea tuturor elementelor

Figura 3.20 – Mecanismul de deplasare după ultima etapă

CAPITOLUL 4

PROIECTAREA ELECTRICĂ

4.1 Principiul de funcționare

Proiectul denumit “Robot de nivel tactic pentru sprijinul Forțelor Terestre” pornește de la ideea de bază de a construi un robot mobil pe șenile capabil să ajute militarii să efectueze în siguranță misiuni de cercetare și de a putea detecta posibile amenințări pe sub vehiculele pregătite să intre într-o unitate militară. Robotul este simetric și poate fi controlat indiferent de poziția în care este trimis în misiune.

Proiectul conține 3 părți majore: platforma mobilă, interfața utilizatorului și transmisia datelor cu ajutorul unei conexiuni wireless.

Figura 4.1 – Schema simplificată a proiectului

Platforma mobilă va fi controlată prin intermediul unei conexiuni wireless de la tastatura laptopului utilizatorului prin transmiterea unor comenzi simple prin apăsarea unor butoane. Robotul utilizează două motoare de curent continuu cu perii și este necesar controlul diferențial al acestora în cazul schimbării direcției. Pentru controlul motoarelor se vor utiliza săgețile tastaturii și butonul ENTER pentru oprirea motoarelor, iar pentru controlul camerei video montată în partea frontal se vor utiliza butoanele: W,A,S,D. Tastele W și S sunt utilizate pentru modificarea elevației, iar tastele A și D sunt utilizate pentru modificarea azimutului camerei video. Butonul L este utilizat pentru activarea/dezactivarea senzorului IR al camerei video. Utilizatorul recepționează continuu datele de la camera video prin intermediul unei interfețe WEB.

Coordonatele robotului sunt recepționate continuu de către procesor cu ajutorul unui receptor GPS prin intermediul unei comunicații seriale și transmise către utilizator utilizând protocolului HTTP. Poziția curentă a robotului este afișată pe hartă prin intermediul aplicației Google Maps.

Prezentarea în detaliu a proiectului va fi realizată pe parcursul acestui capitol.

4.2 Schema electrică de principiu

Schema electrică de principiu a fost realizată în mediul de dezvoltare ISIS-PROTEUS. Din păcate multe din dispozitivele electronice folosite nu au un model matematic și nu am putut realiza o simulare al proiectului. Dispozitivele care lipseau au fost create generic pentru a putea reprezenta corect schema electrică.

Alimentarea se va face de la un acumulator format din mai multe celule cu tensiunea nominală de 36V. Comutatorul K1 are două poziții: închidere circuit electric sau trecerea în regim încărcare atunci când se cuplează încărcătorul (circuit deschis când nu se cuplează la încărcător). Având în vedere că dispozitivele electronice utilizează trei tensiuni de alimentare diferite, respectiv: 24V – motoarele de CC, 12V – camera video și router-ul wifi, 5V – Raspberry Pi 3, este necesară utilizarea a trei regulatoare de tensiune. Regulatoarele de tensiune sunt utilizate pentru alimentarea dispozitivelor electronice astfel: regulatorul cu ieșirea de 5V și 2A este utilizat pentru alimentarea RPi3, regulatorul cu ieșirea de 24V și 15A este utilizat pentru a alimenta circuitul de comandă a motoarelor de curent continuu, iar regulatorul cu ieșirea de 12V și 5A este utilizat pentru a alimenta camera video și router-ul wifi. Comunicația între Raspberry și cameră se va realiza cu ajutorul unui router wifi ASUS RT-N12 prin două mufe RJ45 conectate la LAN1 și LAN2. Motoarele vor fi comandate cu ajutorul a două regulatoare de turație (ESC- Electronic Speed Controller). Datele de la GPS vor fi trimise printr-o comunicație UART, respectiv datele de la giroscop printr-o comunicație I2C, iar acestea vor fi prelucrate de Raspberry Pi 3.

Figura 4.2 – Schema electrică de principiu

Pe parcursul acestui capitol se va prezenta în detaliu fiecare dispozitiv electronic utilizat, precum și unele principiile de funcționare.

4.2.1 Raspberry Pi 3 Model B

Sistemul de calcul specializat utilizat pentru acest proiect este Raspberry Pi 3 Model B. Acesta face parte dintr-o serie de SBC (Single-board computer) de dimensiuni reduse și este produs de Raspberry Pi Foundation. Este un sistem de calcul nemodular implementat pe un singur cablaj electronic. Poate fi comparat cu un laptop, deoarece poate oferi majoritatea aplicațiilor precum conectarea la internet, redare de conținut audio/video, procesare de text, jocuri video, precum și rularea unui sistem de operare cu un consum redus de energie. Raspberry Pi oferă posibilitatea de a conecta dispozitive electronice specifice sistemelor embedded: butoane, relee, diferiți senzori, drivere de motoare, camere video etc. De asemenea, oferă posibilitatea interconectării cu alte componente electronice. Această caracteristică face ca Raspberry Pi să fie utilizat în multe proiecte extrem de puternice și interesante.

Figura 4.3 – Schema simplificată a proiectului

În ciuda dimensiunii reduse placa Raspberry Pi 3 dispune de periferice integrate numeroase acoperind complet funcționalitatea unui sistem de calcul (audio, video, porturi USB, conectivitate de rețea):

Procesor SoC pe 64 de biți din familia ARMv8-A, Broadcom BCM2837, ce lucrează la o frecvență de 1.2GHz și dispune de 4 nuclee de tip ARM Cortex-A53;

1GB de memorie RAM (folosită și ca memorie video, partajată cu procesorul grafic);

Procesor grafic Broadcoam VideoCore IV 3D integrat pe aceeași pastilă de siliciu ca și procesorul principal;

Ieșire digitală video HDMI;

Mufă de rețea RJ45 Ethernet 10/100 Mbit/s;

Conectivitate WiFi 802.11n;

Conectivitate Bluetooth;

4 porturi USB 2.0;

27 de pini de intrare / ieșire (GPIO – General-Purpose Input/Output);

Slot card de memorie microSD (se folosește pentru instalarea sistemului de operare);

Conectori dedicați pentru cameră video și afișaj.

Figura 4.4 – Schema explicativă a pinilor

4.2.2 Modulul de comandă al motoarelor

Pentru controlul motoarelor am folosit două regulatoare de turație (ESC – Electronic Speed Controller). Acestea sunt utilizate pentru a se putea realiza controlul electronic al celor două motoare cu perii (figura 4.5). Regulatoarele de turație pentru astfel de motoare sunt foarte ușor de diferențiat de cele pentru controlul motoarelor fără perii, deoarece au doi conectori de legătură pentru motor.

Figura 4.5 – Regulatoarele de turație utilizate

Caracteristici tehnice ale regulatoarelor de turație utilizate:

Tensiuni suportate: 5-26V;

Curent maxim suportat: 28A;

Dacă bateria este critic descărcată primim beep-uri la pornire;

La pornire se armează dacă manșa telecomenzii este în 0, asta înseamnă că motoarele nu vor fi armate dacă semnalul de comandă nu va fi pentru poziția STOP;

Accelerare fină, progresivă;

Protecție la scurtcircuit pe motor;

Protecție la agresarea manșei;

Protecție la suprasarcină.

Figura 4.6 – Schema de utilizare a ESC

Schema de utilizare a unui ESC este prezentată în figura 4.5. Pentru controlul sensului și vitezei de rotație a motorului se aplică principiul de la comanda unui motor hobby RC servo. Generez un semnal PWM cu frecvența de 50Hz și o durată a impulsului cuprinsă în intervalul 1ms – 2ms. La pornire, semnalele PWM generate au durata de 1.5ms, iar asta înseamnă că motoarele sunt oprite (figura 4.7), la turație maximă întru-un sens (ÎNAINTE) se vor genera două semnale PWM cu durata de 1ms (figura 4.9), iar la turație maximă în sens opus (ÎNAPOI) se vor genera semnale cu durata de 2ms (figura 4.7). Pentru schimbarea direcției cele două semnale de comandă vor avea duratele invers proporționale în funcție de direcția dorită.

Regulatoarele de turație au următoarele terminale:

Un conector de tip mama: terminalul roșu este alimentarea ESC 5V, terminalul negru este masa și terminalul alb este utilizat pentru transmiterea semnalului PWM;

M+ galben și M- albastru – câte unul legat la terminalele motoarelor;

BAT+ roșu și BAT- negru – se vor lega la pinii de ieșire ai regulatorului de 24V.

Accelerarea fină și controlul diferențial este realizat în soft cu o modificare a duratei impulsului cu 10ns la fiecare apăsare de buton.

Figura 4.7 – Semnalele PWM în poziția STOP

Figura 4.8 – Semnalele PWM în poziția ÎNAPOI

Figura 4.9 – Semnalele PWM în poziția ÎNAINTE

Înainte de utilizare regulatoarele de turație a fost aplicată o procedură de calibrare astfel:

Se trimite un semnal PWM cu perioada de 20ms și durata de 2ms pe portul de comandă al ESC;

Se alimentează ESC-ul și se așteaptă pornirea unui buzzer;

Se trimite un semnal PWM cu perioada de 20ms și durata de 1ms pe portul de comandă al ESC;

Se așteaptă pornirea unui buzzer;

Oprește alimentarea.

După calibrare ESC-ul poate fi folosit cu ușurință, iar la fiecare utilizare va trebui să fie armat cu un semnal PWM cu perioada de 20ms și durata de 1.5ms, practic poziția de STOP.

4.2.3 Receptorul GPS NEO 6M

Pentru determinarea coordonatelor geografice curente ale platformei mobile a trebuit utilizat un receptor GPS. Din multitudinea receptoarelor GPS ce există pe piață s-a ales receptorul GPS NEO 6N de la uBlox, deoarece este foarte utilizat în sistemele de navigație cu un raport calitate/preț foarte avantajos, iar dimensiunile sunt destul de reduse. Receptorul lucrează în banda L și trebuie să recepționeze semnale de la minim 4 sateliți pentru a calcula corect poziția în care se află.

Figura 4.10 – Receptorul GPS NEO 6M

Caracteristici tehnice ale receptorului GPS NEO 6M:

Tensiune alimentare: 5V;

Recepționează semnalul L1 GPS (obținut din L1 Carrier și codul C/A);

Start rece 27s;

Start încălzit 27s;

Start rapid 1s;

Frecvența de actualizare a semnalului de navigație este de 5Hz;

Viteza maximă la care poate fi utilizat este de 500m/s;

A-GPS (Assisted GPS) cu rolul de a furniza mai rapid informațiile despre efemeride, almanah, timp și ultima poziție în scopul de a îmbunătăți sensibilitatea receptorului;

Protocoale utilizate: NMEA, UBX;

Baudrate: 9600.

Figura 4.11 – Schema simplificată a unui receptor GPS

Ca principiu, semnalele de înaltă frecvență sunt recepționate de antenna și amplificate cu ajutorul unui amplificator cu zgomot redus. După amplificare sunt trecute în IF (frecvență intermediară) prin amestecul cu un semnal generat local de la LO, sunt amplificate, convertite în digital și prelucrate într-un procesor. Mai departe, datele de navigație sunt trimise către Raspberry Pi 3 prin intermediul unei comunicații UART.

Modulul are următorii pini cu următoarele funcții:

VCC – pin pentru alimentarea modulului 5V;

Rx – pin pentru conexiunea la Tx Raspberry Pi 3;

Tx – pin pentru conexiunea la Rx Raspberry Pi 3;

GND – masă.

4.2.4 Motoarele de curent continuu JCF76R 24120R – 210R

Motoarele de curent continuu cu perii (Brushed DC) sunt dispozitive electromecanice ce transformă energia energia electrică în energie mecanică. Viteza de rotație a acestora fiind proporțională cu valoarea tensiunii aplicate la cele două terminale, iar sensul rotației fiind determinat de direcția curentului.

Pentru propulsia electrică a șasiului a trebuit găsită o soluție destul de fiabilă și cu o putere electrică destul de mare ținând cont de masa totală a șasiului. O variantă posibilă de a rezolva această problemă este utilizarea a două motoare de curent continuu cu reductoare melcate alimentate la o tensiune nominală de 12V, dar în urma efectuării a câtorva teste am ales două motoare de curent continuu cu reductoare melcate cu o tensiune nominală de 24V și o putere electrică de 120W – JCF76R 24120R – 210R (figura 4.12), deoarece oferă o putere electrică de două ori mai mare și astfel se asigură exploatarea platformei în condiții mult mai grele. Alegând aceste motoare, soluția determinării sursei de alimentare cu energie electrică va fi o adevărată provocare.

Reductoarele sunt construite cu scopul de a reduce turațiile motoarelor electrice atunci când acestea au turații prea mari pentru a îndeplini o anumită aplicație. Un alt beneficiu al unui motor electric cu reductor este creșterea cuplului mecanic.

Figura 4.12 – Motorul de CC JCF76R 24120R – 210R

Figura 4.13 – Motoarele de CC montate pe șasiu

Caracteristici tehnice ale motorului JCF76R 24120R – 210R:

Tensiune nominală: 24V;

Curent nominal: 5A;

Puterea electrică nominală: 120W;

Turația maximă a arborelui de ieșire: 210 RPM;

Masa: 1.5kg;

Cuplu mecanic: 6-8Nm;

Dimensiuni: 63mm x 100mm.

4.2.5 Camera video DS-2CD2F22FWD-I

Ținând cont de faptul că acest robot va fi utilizat pentru supraveghere și recunoaștere achiziția datelor video este un proces esențial. Camera va fi montată în partea frontală a șasiului (figura 4.15), iar controlul acesteia se va realiza de la tastatură. Pentru achiziția datelor video am folosit camera motorizată DS-2CD2F22FWD-I de la HIKVISION în tehnologie CMOS. Utilizează două motoare de CC pentru controlul azimutului și elevației. Dispune de un senzor IR pentru vederea pe timp de noapte cu activarea automată sau manuală al acestuia.

Figura 4.14 – Camera DS-2CD2F22FWD-I

Caracteristici tehnice ale camerei video:

Tensiunea de alimentare: 12V;

Consum maxim: 9W – cu motoarele în funcțiune;

Rezoluția maximă: 1920 x 1080;

Se poate modifica imaginea folosind interfața propie;

Algoritm de compresie: H.264/H.264+;

Control azimut: 0 – 360 de grade;

Control elevație: 0 – 75 de grade;

Senzor IR;

Protocoale utilizate: ICMP, HTTP, TCP/IP, UDP, DHCP, DNS, HTTPS, FTP, IGMP;

Interfață la nivel fizic: 1 RJ 45 10M/100M port Ethernet.

La nivel rețea camera folosește protocolul IP cu o adresă predefinită (192.168.1.64), dar care poate fi modificată din interfața camerei (nivel aplicație). La nivel fizic, această cameră comunică printr-un cablu Ethernet (RJ 45).

Figura 4.15 – Camera video montată pe șasiu

4.2.6 Regulatoarele de tensiune

Alimentarea circuitului electronic se va face de la un pachet de acumulatori cu o tensiune nominală de 36V și este necesară utilizarea a trei stabilizatoare de tensiune: 24V/15A pentru alimentarea regulatoarelor de turație, 12V/5A pentru alimentarea camerei video și router-ului wifi și 5V/2A pentru alimentarea sistemului de calcul specializat.

Figura 4.16 – Stabilizator de tensiune

Toate stabilizatoarele de tensiune sunt în contact cu o carcasă de metal pentru a evita supraîncălzirea acestora (figura 4.16).

Regulatoarele de tensiune dispun de patru terminale astfel:

2 terminale pentru INPUT;

2 terminale pentru OUTPUT.

4.2.7 ASUS RT-N12

ASUS RT-N12 este un dispozitiv electronic care include două funcții principale: rutare și punct de acces fără fir (wireless). În această aplicație, vom folosi dispozitivul ca punct de acces.

Figura 4.17 – ASUS RT-N12

Caracteristici tehnice ale dispozitivului:

Alimentare: 12V, 500mA;

Standard rețea: IEE 802.11n,b,g, IPv4 și IPv6;

Rata de transmisie a datelor: utilizând standardul IEEE 802.11n până la 100Mbps;

2 antene detașabile cu câștig de 5dBi;

Frecvență emisie: 2.4GHz;

4 porturi RJ45 pentru LAN;

Greutate: 275g.

Figura 4.18 – Montarea antenelor detașabile

Antenele omnidirecționale vor fi montate în exteriorul șasiului, deoarece acesta este realizat din metal, iar undele electromagnetice vor fi reflectate în cazul în care antele sunt în interiorul șasiului. Am folosit două mufe SMA RP de tip mamă-tată cu lungimea de 1m pentru a putea monta antenele în exterior.

Figura 4.19 – Tipuri de conectori SMA

4.2.8 Sursa de alimentare cu energie electrică

Această platformă are nevoie de o sursă de energie pentru a putea efectua sarcinile dorite. Energia electrică este stocată în acumulatori sau baterii. Alegerea unei configurații potrive a blocului cu alimentare de energie electrică este o caracteristică cheie în procesul de proiectare. Dimensiunile, tensiunea, greutatea și modul de reîncărcare al configurației blocului de alimentare cu energie electrică impun restricții asupra întregului proces de proiectare și determină în mod direct autonomia robotului.

Bateriile/acumulatorii au o contribuție importantă la greutatea robotului pe care doresc să o păstrez cât mai jos posibil. O baterie/un acumulator trebuie să îndeplinească anumite cerințe de performanță: capacitatea rapidă de descărcare și reîncărcare, durata lungă de viață (numărul de descărcări înainte de a deveni inutilizabilă), costuri reduse, reciclabile, puterea specifică și capacitatea de a lucra într-un interval de temperatură mare. Practic este imposibil să găsesc o baterie/un acumulator (sau un pachet – mai multe baterii/acumulatori legați în serie) care să îndeplinească toate aceste condiții, dar se fac compromisuri între bateriile existente pe piață și cerințele de proiectare.

Pentru alimentarea cu energie electrică am decis să folosesc pachetul de acumulatori 10S2P/22P-HA001 de la HANI (figura 4.16). Este un pachet de 10 celule Li-ion (litiu-ion) cu o tensiune nominală de 3.6V/celulă. Sunt construiți și utilizați în special ca sursă de energie electrică pentru hoverboard, ceea ce îi face să fie foarte fiabili și cu o capacitate rapidă de încărcare.

Caracteristici tehnice ale unei celule din pachet:

Tensiune nominală: 3.6V;

Capacitatea nominală: 4400mAh;

Marcă: PANASONIC/SAMSUNG;

Greutate: 100g.

Figura 4.20 – Mufa de încărcare MF 1975 mamă

Mufa de încărcare este de tip MF 1975 de tip mamă și este montată în partea posterioară a șasiului.

Figura 4.21 – Pachetul de acumulatori utilizat

Știind că pachetul are 10 celule vom putea deduce caracteristicile tehnice ale acumulatorului:

Tensiunea nominală: 10 x 3.6 = 36V;

Capacitatea nominală: 4.4Ah;

Puterea electrică nominală: 36 x 4.4 = 158.4 Wh;

Greutate: 10 x 100 = 1kg.

4.2.9 Calculul autonomiei

Etapa preliminară în calculul autonomiei este de a cunoaște și a însuma consumul total al dispozitivelor electronice alimentate de la sursa de energie electrică. Consumul fiecărui dispozitiv va fi aproximat pentru utilizarea acestora în condiții normale de funcționare. În figura de mai jos, sunt prezentate consumurile dispozitivelor, precum și consumul total al acestora.

Figura 4.22 – Consumul pentru fiecare dispozitiv electronic utilizat

Știind că, puterea pachetului de acumulatori este de 158.4Wh, iar consumul total este de 272W, rezultă o autonomie de aproximativ 30min în condiții ideale fară a lua în considerare unele pierderi, dar care pot fi neglijate. Din acest calcul simplu rezultă ca este necesară utilizarea a 6 acumulatori de acest tip pentru a satisface cerința de proiectare privind autonomia robotului (3 ore).

4.3 Comunicația serială asincronă (UART)

Comunicația UART (Universal Asynchronous Receiver – Transmitter) este utilizată pentru a transmite serial datele de la GPS la sistemul de calcul specializat.

Figura 4.23 – Schema bloc a unei transmisii UART

Pentru ca două dispozitive să comunice prin UART este necesară conectarea lor ca în figura 4.23. Principalul avantaj al transmisiei de acest tip este utilizarea unui număr redus de conectori între dispozitive. Datele sunt trimise asincron, deci transmisia se realizează în lipsa unui semnal de ceas care să sincronizeze transmisia. În lipsa semnalului de ceas, UART adaugă biți de START și de STOP pachetului ce urmează să fie trimis. Acești biți definesc începutul și sfârșitul pachetului, deci receptorul va putea determina momentul când trebuie să umple buffer-ul. Atunci când receptorul determină bitul de START, acesta începe să citească datele primite cu o anumită frecvență numită baud rate/rată de comunicație și se măsoară în bps (biți pe secundă). Condiția ce trebuie îndeplinită pentru a se transmite corect informația este: BAUDRATE1 = BAUDRATE2 (ratele de transfer ale celor două dispozitive să fie egale), chiar dacă nu se îndeplinește acest caz, se poate folosi și două rate de comunicație diferite într-o plajă de maxim 10% diferență. Utilizează un bit de paritate pentru verificarea erorilor de transmisie.

Terminale utilizate într-o transmisie serială UART:

Tx, linia de transmisie a datelor;

Rx, linia de recepție a datelor;

Masă comună.

Avantaje ale comunicației UART:

Două legături utilizate între dispozitive;

Nu necesită semnal de ceas;

Utilizează bit de paritate pentru verificarea erorilor de transmisie;

Structura pachetului de date poate fi modificată dacă ambele dispozitive sunt configurate identic.

Dezavantaje ale comunicației UART:

Lungimea pachetului de date este limitat la maxim 9 biți;

Necesită rate de transmisie egale.

4.4 Topologia rețelei locale (LAN)

Un LAN (Local Area Network) este o rețea de echipamente interconectate răspândite pe o suprafață de mici dimensiuni.

Figura 4.23 – Arhitectura rețelei de comunicații între dispozitive

Comunicația între dispozitive s-a realizat prin intermediul unei rețele locale (LAN – Local Area Network) utilizând un Router WiFi ASUS RT-N12 802.11 n/b/g. Rețeaua este de tip FULL-DUPLEX și constă în transmisia datelor simultan în ambele sensuri. Adresele IP ale dispozitivelor au fost asignate static, astfel: adresa IP 192.168.1.1 este adresa routerului wifi, 192.168.1.3 este adresa IP a camerei video, Raspberry va primi adresa 192.168.1.2, iar laptopul utilizatorului va primi adresa 192.168.1.4. Pentru a putea utiliza serviciul Google Maps se utilizează o conexiune la INTERNET prin intermediul unui modem wifi conectat prin USB la laptopul utilizatorului. Comunicația între router, cameră video și raspberry este realizată prin cabluri RJ45 la porturile LAN1 și LAN2, iar laptopul este conectat la rețea printr-o conexiune wifi. Serverul WEB (Apache2) este instalat pe Raspberry și este utilizat pentru a face posibilă înglobarea datelor primite de la cameră și coordonatele primite de la receptorul GPS. Arhitectura rețelei locale este prezentată în figura 4.2 realizată în Cisco Packet Tracer. Filtrarea dispozitivelor se realizează în interfața router-ului pe baza adreselor MAC ale entităților conectate în rețea.

CAPITOLUL 5

PROIECTAREA SOFTWARE

5.1 Logica programelor

Pentru a satisface cerințele proiectului am realizat două programe în Python 3.5.3 care vor rula în paralel pe timpul funcționării întregului ansamblu. Python este un limbaj de nivel înalt folosit inițial pentru aplicații WEB, dar care s-a extins foarte mult în ultima perioadă.

Figura 5.1 – Schema logică a programului motors.py

Primul program prezentat în figura 5.1 se numește “motors” și are extensia “.py”. Schema logică este una foarte simplă și explică principiul formării și transmiterii comenzilor robotului. Programul este utilizat pentru comanda motoarelor și a camerei video din tastatura. După rulare trebuie să se facă inițializarea regulatoarelor de turație pentru ca robotul să poată fi controlat în mod corect. După acest pas se așteaptă comenzile valabile și se execută, iar în caz contrar afișează un mesaj în consolă “Comanda necunoscuta”. Totul este introdus într-o buclă infinită și se vor aștepta comenzi până se apasă tasta “Q” care închide programul.

Figura 5.2 – Schema logică a programului main.py

Schema logică a programului “main.py” este prezentată în figura 5.2 și explică pașii pe care îi parcurge procesorul pentru: verificarea conexiunii între dispozitive (Raspberry și laptop), citirea corectă a datelor de la GPS și IMU, precum și afișarea acestor date. Toate etapele sunt într-o bucla infinită pentru rularea programului în timpul utilizării robotului. Utilizând protocolul ICMP, se trimit interogări de tip “ping” de la Raspberry câtre laptop pentru a se verifica conexiunea dintre acestea. Dacă conexiunea este stabilă și nu se pierd pachete, se configurează comunicația UART pentru primirea pachetelor de date de la modulul GPS, iar datele de la IMU se transmit printr-o transmisie I2C. Dacă nu există erori la citire se vor afișa datele.

Pe parcursul acestui capitol voi prezenta realizarea programelor mai detaliată, precum și tehnologiile utilizate pentru acestea.

Programul motors.py

Schema logică a programului a fost explicată în subcapitolul 5.1 pe baza figurii 5.1, iar acum voi prezenta modul de implementare al acestuia.

Am folosit următoarele biblioteci (acestea se încarcă în Python utilizând sintaxa import nume_bibliotecă, dacă sunt deja instalate):

time – pentru a putea accesa comanda time.sleep(n), unde n este numărul de secunde în care programul va fi suspendat;

pigpio – pentru controlul GPIO (generarea PWM);

curses – pentru transmiterea comenzilor de la tastatură direct în terminal cu avantajul unui răspuns instant;

os – pentru a putea utiliza terminalul direct din Python;

commands – verifică dacă funcționează pigpiod (trimite comenzi în terminal și memorează răspunsul).

Programul conține mai multe funcții pentru fiecare funcționalitate:

Funcția de armare ESC este prezentată mai jos. Armarea se va face la fiecare pornire a alimentării după ce regulatoarele de turație au fost calibrate.

Figura 5.3 – Funcția de inițializare ESC

Funcțiile pentru controlul motoarelor sunt foarte asemănătoare și voi explica o singură funcție. La fiecare apăsare a butonului corespunzător funcției respective se va incrementa durata semnalului PWM cu 20µs până când aceasta atinge limitele pentru un sens de mișcare (figura 5.4). Controlul diferențial este realizat prin apelarea în diferite moduri ale funcțiilor de control al motoarelor. De exemplu: pentru întoarcere stânga se va apăsa tasta KEY_LEFT (săgeată stânga – cod ASCII 260), motorul 1 se va roti în sens direct, iar motor 2 se va roti în sens invers (figura 5.5).

Figura 5.4 – Funcțiile pentru controlul motoarelor

Figura 5.5 – Controlul diferențial al motoarelor

Funcțiile pentru controlul camerei se utilizează unealta cURL care permite trimiterea comenzilor prin diferite protocoale de comunicații. Ținând cont de faptul că am utilizat o cameră ce poate fi legată în rețea, iar conform documentației acesteia comenzile se trimit prin protocolul de comunicații HTTP (Hypertext Transfer Protocol). Știind că este un protocol ce utilizează principiul CERERE-RĂSPUNS, trimit comenzile dintr-un fișier cu extensia “XML”, iar după ce comenzile sunt trimise va fi afișat răspunsul. Controlul camerei se realizează din butoanele: W,A,S,D,L.

Figura 5.6 – Controlul camerei video

Este necesară trimiterea unei comenzi de oprire pentru controlul fin la fiecare apăsare a butonului. Comenzile pentru controlul azimutului și elevației sunt memorate în cinci fișiere XML, iar comenzile pentru controlul senzorului IR în două fișiere XML și au următoarea structură:

“<PTZData><pan>m</pan><tilt>n</tilt></PTZData>”, unde m și n sunt vitezele de rotație în azimut și în elevație (au valorile de la -100 la +100);

“<IrcutFilter><IrcutFilterType>MOD</IrcutFilterType><nightToDayFilterLevel>4</nightToDayFilterLevel><nightToDayFilterTime>5</nightToDayFilterTime></IrcutFilter>”, unde MOD poate fi day/night.

Pentru a putea trimite comenzile HTTP de tip cerere direct din Python utilizez biblioteca os, iar comenzile au următoarea structură:

“comanda = os.system("curl -X PUT -T sus.xml http://%s:%s@%s:%s%s" % (user, pw, host, port, link1/2))”, unde:

host = "192.168.1.3";

user = "admin";

pw = "camerarobot123";

port = "80";

link1 = "/ISAPI/Image/channels/1/ircutFilter" – utilizat pentru trimiterea comenzilor pentru senzorul IR;

link2 = "/PTZCtrl/channels/1/Continuous" – utilizat pentru trimiterea comenzilor pentru controlul camerei.

5.3 Programul main.py

Pe baza schemei logice a programului (figura 5.2) voi explica metoda de implementare a programului.

Pentru realizarea programului am utilizat câteva biblioteci, dar le voi prezenta pe cele neutilizate în soft-ul anterior:

pyserial – pentru a putea accesa porturile seriale (USB);

beautifulsoup – utilizată pentru a putea accesa și edita codul sursă a unei pagini WEB;

requests – este o bibliotecă Apache2 folosită pentru a trimite mesaje de tip cerere utilizând protocolul HTTP;

numpy – utilizată pentru lucrul cu vectori;

mpu6050 – este o bibliotecă dedicată senzorului MPU6050.

Programul este utilizat pentru verificarea conexiunii, prelucrarea și afișarea datelor de la GPS și IMU. Este alcătuit din trei funcții care sunt apelate într-o buclă infinită:

Funcția pentru verificarea conexiunii dintre Raspberry și laptop trimite o comandă de tip “ping –c 1 IP_LAPTOP” prin protocolul ICMP. Se trimite un pachet, iar în cazul în care pachetul este recepționat în totalitate rularea programului va merge mai departe.

Figura 5.7 – Funcția de interogare

În funcția pentru citirea, prelucrarea și afișarea datelor de la GPS informațiile primite de la GPS sunt citite prin portul serial USB0 și sunt decodificate (utf-8). Modulul GPS trimite 19 secvente în standard NMEA (National Marine Electronics Association), dar am ales standardul “GPRMC” pentru că oferă informațiile care îmi sunt necesare (latitudine, longitudine).

Figura 5.8 – Porțiune din funcția date_gps

Datele recepționate au următoarea structură:

“$GPRMC,hhmmss.ss,A,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x.x,x.x,ddmmyy,x.x,a*hh”, unde:

hhmmss.ss este ora universală coordonată (UTC);

A/V statusul datelor (dacă este V există erori);

llll.ll latitudinea curentă;

a reprezintă unul din caracterele N/S sau E/V (pentru a doua apariție);

yyyyy.yy longitudinea curentă;

restul parametrilor nu au prezentat interes.

Dacă informația de la cei trei sateliți GPS este recepționată corect, se face conversia lor de în formatul de tip “Grade.MinuteSecunde”, iar cu ajutorul bibliotecii BeautifulSoup se modifică calea către GOOGLE MAPS cu noile coordonate.

Funcția pentru citirea datelor de la senzorul MPU6050 are la bază biblioteca mpu6050 cu argumentul de intrare adresa I2C a senzorului și comenzi de tipul get_data pentru memorarea datelor într-o variabilă.

5.4 Realizarea interfeței WEB

Interfața WEB a fost realizată cu ajutorul unui server HTTP instalat pe Raspberry Pi 3. Apache2 este un server HTTP de tip open source și este foarte ușor de utilizat cu o documentație foarte bună. Pentru a instala Apache2 pe sistemul de operare se execută comanda sudo apt-get install apache2 –y în terminal. După instalare se creează automat o pagină numită index.html. Sunt necesare câteva modificări în configurarea server-ului, deoarece am vrut să schimb calea în /home/pi. Din acest moment, dacă sunt în rețea cu Raspberry și îi accesez adresa IP din browser trebuie să apară pagina de start predefinită a unui server Apache2.

Figura 5.9 – Structura interfeței WEB

Structura interfeței WEB este prezentată în figura 5.9 și este realizată cu ajutorul W3.CSS, deoarece este mult mai ușor de folosit și rapid decât realizarea unei pagini WEB doar din HTML. W3.CSS este open source și permite lucrul cu “containere”. Acest lucru mi-a fost necesar, deoarece atunci când fac actualizarea datelor să nu afecteze și transmisia video. Astfel, cu ajutorul unui script pot reîmprospăta doar o parte din pagină fară să apară efectul de “refresh” pentru transmisia video.

Figura 5.10 – Script-ul pentru actualizarea automată la 25s

În figura 5.10 este prezentat script-ul pentru actualizarea automată a localizării. Div-ul care este actualizat are structura: <div class="w3-container" id="map">. Înseamnă că la fiecare 25 de secunde, funcția autoRefresh-div() va actualiza div-ul cu ID-ul “map”.

Figura 5.11 – Interfața grafică VIDEO

Figura 5.12 – Interfața grafică LOCALIZARE

5.5 Protocoale de comunicații utilizate

Pe parcursul proiectului am utilizat următoarele protocoale de comunicații:

Secure Shell (SSH) este un protocol de comunicație ce oferă un canal securizat pentru transferul datelor. Arhitectura folosită este cea de tip client – server, iar portul TCP este 22. Pe Linux server-ul SSH este instalat și se utilează comenzile sudo systemctl enable ssh și sudo systemctl start ssh, iar ca aplicație de tip client pe Windows am utilizat programul PuTTy;

Secure File Transfer Protocol (SFTP) este un protocol de comunicație care oferă acces și transfer de fișiere în mod securizat. Este asemănător SSH, lucrează prin același port TCP și au aceeași arhitectură. Am utilizat clientul WinSCP;

Hypertext Transfer Protocol (HTTP) este un protocol de comunicație care oferă transferul de hypertext (HTML) între un client și un server. Prin intermediul unei conexiuni TCP prin portul 80. Server-ul Apache2 este instalat pe Raspberry, iar ca aplicație tip client utilizez Mozilla Firefox;

TCP (Transmission Control Protocol)/UDP (User Datagram Protocol) sunt două protocoale de comunicație ce aparțin nivelului transport. TCP este bazat pe conexiune, adică verifică dacă datele sunt transmise correct, iar UDP este bazat pe transport. Am de ales să utilizez unul dintre cele două protocoale pentru transmisia datelor de la camera video;

IP (Internet Protocol) este un protocol de comunicație la nivel rețea care atribuie o adresă IP fiecărui dispozitiv din rețea;

ICMP (Internet Control Message Protocol) este utilizat pentru schimbul mesajul de control.

CAPITOLUL 6

TESTAREA ȘI EVALUAREA PERFORMANȚELOR SISTEMULUI

CAPITOLUL 7

CONCLUZII ȘI PERSPECTIVE

Obiectivul prezentei lucrări a fost de a proiecta și realiza practic un robot șenilat telecomandat capabil să execute verificarea mașinilor la punctul de acces într-o unitate militară. Acesta a fost îndeplinit cu succes și am ajuns la concluzia că se pot obține rezultate chiar mai bune utilizând un material mai ușor pentru realizarea șasiului și utilizarea unei conexiuni cu frecvența de 5GHz. Studiind problema, aș putea utiliza materiale mai ușoare precum aluminiul și fibra de sticlă. În locul frecvenței WiFi de 2.4GHz (standard 802.11n) aș folosi frecvența WiFi de 5GHz (standard 802.11ac), deoarece prezintă un risc mai mic de interferențe cu alte dispozitive și o viteză mai mare de transmisie. Utilizând un amplificator de RF putem ajunge la un rezultat mult mai bun privind distanța maximă de acțiune a robotului.

Cu toate că am reușit să aduc proiectul într-un stadiu bun, în realizarea acestuia am întâmpinat o serie de probleme. Cea mai mare provocare a proiectului a fost de a proiecta și realiza fizic platforma mobilă. Proiectarea roților dințate a fost partea cheie a acestui proiect. Deși au fost realizate perfect, atunci când robotul executa manevre de întoarcere pe loc danturile roților nu se potriveau cu danturile șenilelor. Au fost necesare executarea unor operații manuale pentru modificarea danturii roților.

O altă problemă întâmpinată a fost legată de turația motoarelor. Deși motoarele sunt identice există mici diferențe ale turației atunci când se modifică durata impulsului de comandă. Am încercat să echilibrez turațiile motoarelor prin micșorarea limitei superioare, respectiv mărirea limitei inferioare a duratei impulsului de comandă corespunzător motorului care avea turația mai mare.

Multe probleme au fost întâmpinate până m-am familiarizat cu sistemul de operare Linux și câteva probleme de configurare ale router-ului, dar au fost rezolvate prin actualizarea soft-ului acestuia.

Consider că am realizat tot ce mi-am propus pentru acest proiect, iar pe viitor aș dori să proiectez un alt robot capabil să execute misiuni mult mai complexe.