Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В процессе эволюции природа создала множество видов идеальных существ по форме и структуре. Чтобы не изобретать “колесо” дважды, мы можем воспользоваться уже созданными природой “механизмами” скелетов рыб и сэкономить уйму времени и сил на этом, но в тоже время с помощью человеческого разума и смекалки улучшить их.

Создаваемые подводные роботы, использующие принципы передвижения подводных гидробионтов, могли бы решить следующие как гражданские, так и военные задачи: поиск затонувших кораблей, затонувших и установленных мин; проверка качества воды и поиск источников ее загрязнения; поиск полезных ископаемых на дне моря; проверка целостностей подводных топливных трубопроводов; измерение скорости морских течений на различных глубинах; обнаружение крупных скоплений рыб и наведение на них промысловых судов и т. д.

Чтобы выполнить подобные задачи, робот, выполненный в виде рыбы, должен состоять из следующих частей: прочного несущего герметичного корпуса, движителя, источника энергии, органов стабилизации и системы управления, датчиков различных типов, устройств подсветки, фотографирования и т. д.

Цель данного проекта - разработать систему автоматического управления приводами плавников робота-рыбы.

1. Техническое задание на курсовую работу

Разработать цифровую систему автоматического управления приводами плавников робота-рыбы.

Цифровая система автоматического управления приводами плавников робота-рыбы включает в себя ЦСАУ приводом хвостового плавника, ЦСАУ приводами левого и правого плавника.

Цифровая система управления приводом хвостового плавника работает следующим образом: напряжение питания поступает на двигатель постоянного тока с реечной передачей, совершающий поступательное движение. Абсолютный энкодер снимает показания с двигателя, и подаёт их на микроконтроллер, который сравнивает их с задающим воздействием, и разность этих значений, пройдя через усилитель, поступает на мотор-редуктор в виде напряжения питания.

Цифровая система управления приводом левого плавника работает следующим образом: напряжение питания поступает на двигатель постоянного тока с реечной передачей, совершающий поступательное движение. Концевые датчики определяют положение выходного звена двигателя постоянного тока с реечной передачей. Показания с датчиков считывает микроконтроллер, который через усилитель задает напряжение питания.

Цифровая система управления приводом правого плавника работает следующим образом: напряжение питания поступает на двигатель постоянного тока с реечной передачей, совершающий поступательное движение. Концевые датчики определяют положение выходного звена двигателя постоянного тока с реечной передачей. Показания с датчиков считывает микроконтроллер, который через усилитель задает напряжение питания.

Цифровая система управления двигатель постоянного тока с реечной передачей (ДПТ с РП) должна удовлетворять следующим требованиям:

· Время переходного процесса:

ДПТ с РП - < 0,5 секунды.

· Колебательность ЦСАУ:

ДПТ с РП - не более одного колебания.

· Коэффициент перерегулирования ЦСАУ:

ДПТ с РП - < 5%

· Точность (качество) ЦСАУ:

ДПТ с РП - статическая ошибка < 1%

· Размер электронных схем - не более 100 мм в ширину и 100 мм в длину.

Энергопотребление информационных схем - до 1 А

Приводы обладают следующими характеристиками:

ДПТ с РП:

· Скорость выходного звена- до 20 мм/с

· Напряжение питания - 12 В

· Ток - максимальный - 2 А,

2. Анализ существующих конструкций

ЯПОНСКАЯ РОБОТ-РЫБА

Пять роботов, похожих на карпов, выпустят в виде эксперимента в испанском порту Хихон (Gijon). Полутораметровые создания должны самостоятельно курсировать в заданном районе, фиксировать малейшие утечки из подводных трубопроводов или судов, наносить их на карту порта и передавать эту информацию на берег. И всё -- без непосредственного управления со стороны людей.

Рис 1. Внешний вид японского роботы-рыбы



Рис 2. Принцип работы японского робота-рыбы.

Робот Рарерурашии (Rarerurashii)

Семикилограммовый робот Рарерурашии (Rarerurashii) внешне похож на огромную рыбу с бело-красным окрасом. Бот удерживает свое состояние

при помощи вибрации, а при помощи хвоста изящно продвигается вперед. При полном заряде батареи Рарерурашии может находиться в свободном плавании до полутора часов.



Рис 3. Внешний вид робота Рарерурашии

Рис 4. Компоновка робота Рарерурашии

Сингапурский робот двигается как рыба

Студенты и преподаватели Технологического университета Nanyang, Сингапур, разработали робота, который умеет плавать как рыба. Для того, чтобы устройство могло передвигаться подобным образом, они потратили 2 года на изучение особенностей плавания рыб.

Современные подводные аппараты используют винт для передвижения. В новом изобретении этого нет. Перемещение в воде осуществляется за счет волнообразных движений плавников. При создании робота специалисты взяли за основу передвижения электрических скатов.

Рис. 5 . Внешний вид сингапурского робота

Данное устройство, по их мнению, может выполнять исследовательские и разведывательные задачи, если его вооружить камерой. Изобретатели надеются представить полнофункциональный образец робота-рыбы в течение двух лет, сообщает Channel New Asia.

Robofish

Специалисты из университета Вашингтона разработали нескольких роботов, которые не только могут довольно продолжительное время находиться под водой, но и двигаться стаей.

Созданные исследователями устройства под названием Robofish могут быть запрограммированы для плавания в одном направлении или в различных направлениях. Их преимуществом перед другими существующими роботами является то, что они могут обмениваться информацией друг с другом. Предполагается, что делать это они будут с помощью акустических импульсов.

В будущем подобные модели найдут применение для исследования, например, подводных пещер и других труднодоступных мест, а также для наблюдения за морскими животными, такими как киты.

Robofish размером с 4-килограммового лосося напоминает рыбу: он имеет плавники и хвост, которые обеспечивают ему большую маневренность.

Рис. 6 внешний вид Robofish

Гигантская робот-рыба от Mitsubishi

Специалисты из Ryomei Engineering, подразделения Mitsubishi Heavy Industries, совместно с двумя другими японскими компаниями, расположенными в районе Хирошима, разработали робота-рыбу, напоминающего по внешнему виду один из видов огромного сазана.



Рис. 7. Гигантская робот-рыба от Mitsubishi

Эта модель имеет длину 80 см и вес 12 кг. Рыба отличается белым туловищем с красными пятнами. Робот управляем. Он может совершать такие движения, которые обычному сазану не под силу.

Устройство, спроектированное Ryomei Engineering, является пятой по счету моделью в линейке рыб-роботов. Одна из новых функций, добавленных в модель, - камера на голове и сенсоры для анализа качества воды, сообщает Kyodo.

3. Описание конструкции

Проведя анализ существующих конструкций, было решено использовать конструкцию системы аналогичной системам Rarerurashii и Robofish. 3-D модель устройства представлена на рисунке 1.4.

Рис.8. 3-D модель устройства системы «робота-рыбы». 1- водонепроницаемый корпус, 2 - хвостовой плавник, 3- боковой плавник, 4 - двигатели, 5 - управляющая схема с аккумулятором, 6 - датчик (энкодер)

Конструкция робот-рыба состоит из водонепроницаемого корпуса(1), хвостового(2) и двух боковых плавников(3). Движение робота-рыбы вперед приводиться за счет хвостового плавника(2) приводимого в движение двигателем постоянного тока с реечной передачей(4). Поворот осуществляется открытием одного из боковых плавников(3), которые приводятся в движение двумя двигателями постоянного тока с реечной передачей(4) расположенные в центре корпуса(1). Также в корпусе робота-рыбы находиться аккумулятор(5), управляющая плата(5) и абсолютный энкодер(6).

Схема привода хвоста



Рис 9. Схема привода хвоста

1. электропривод

2. выходное звено привода

3. центральная опора

4. хвостовая часть

5, 6, 7 шарнирные соединения

Схема привода плавника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10. Кинематическая схема привода хвоста

1. Привод

2. выходное звено привода

3. крепление двигателя

4. боковой плавник

5. шарнирные соединения

6. корпус робота-рыбы

4. Функциональная схема

Рисунок 11. Функциональная схема объекта управления

МК - микроконтроллер, включающий АЦП и ШИМ на кристалле. Микроконтроллер осуществляет реализацию необходимых законов управления электродвигателем, а также управляет индикацией, и обработкой сигнала с датчиков.

5. Структурная схема

Рис.12. Структурная схема управления приводами робота-рыбы

g1,2,3(k) - задающее воздействие

е1,2,3(k) - ошибка

U1,2,3(t) - управляющее воздействие

x01,02,03(t) - скорость выходного звена двигателя

x1,2,3(t) - управляемая величина

Wус (p) - передаточная функция усилителя.

Wдвиг. (p) - передаточная функция привода

Wред. (p) - передаточная функция редуктора

Wос 1,2,3(p) - передаточная функция обратной связи

Далее определим передаточную функцию привода робота-рыбы

Работа привода описывается системой уравнений

(1)

Основные параметры двигателя приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры двигателя

Наименование параметра	Обозначение	Значение
Индуктивность якоря	Lя	0.0002 Гн
Момент инерции, приведённый к валу	J	15•10-6 Н•м2
Номинальный ток якоря	i я ном	0,4 А
Номинальное напряжение	Uном	12 В
Скорость холостого хода		12270 об/мин
Номинальный момент	Мном	4,82•10-3 Н•м

(2)

Константы Се и Cm найдём по следующим формулам:

 (3)

(4)

Запишем уравнение (1) для пространства Лапласа:

(5)

Выразим из второго уравнения системы (5) ток и подставим в первое:

где

(6)

Раскрывая скобки получим:

(7)

Преобразуем выражение (7) к виду:

(8)

Отсюда находим передаточную функцию:

(9)

Передаточная функция усилителя:

Wус (p) = 12.

Передаточная функция обратной связи:

Wос (p) = 1.

Передаточная функция редуктора

Wредуктора (p) = 0.05.

6. Моделирование цифровой системы автоматического управления

6.1 ЦСАУ приводом хвоста робота-рыбы

Проведём моделирование системы автоматического управления средствами программного пакета MATLAB. Воспользуемся расширением данного программного продукта - средой моделирования Simulink.

Рис. 13. Математическая модель САУ в среде Simulink

Используя встроенные средства среды Simulink, получим график переходного процесса системы, при воздействии на неё единичного ступенчатого сигнала (рис. 10).

Рис. 14. График переходного процесса системы, при воздействии на неё единичного ступенчатого сигнала.

Из графика можем определить следующие параметры система автоматического управления:

· величина статической ошибки - 0%;

· время переходного процесса - 0.068 с;

· колебательность отсутствует;

· коэффициент перерегулирования - 0%.

Исходя из этих данных, можно сделать вывод о том, что система автоматического управления соответствует техническому заданию и не нуждается в корректировке.

Далее добавим квантование - преобразование данной системы (рис. 11)

Рисунок 115. Исследуемая ЦСАУ

Рис. 16. График переходного процесса системы с квантователем, при воздействии на неё единичного ступенчатого сигнала.

робот рыба привод цифровой

Таким образом, мы можем сделать вывод, что качество цифровой системы управления удовлетворяет техническому заданию.

7. Выбор электронных компонентов

Микроконтроллер

Для проектируемой ЦСАУ рационально использовать небольшой по размер ам, не требующий для своей работы дополнительных микросхем окружения недорогой микропроцессор, обладающий в тоже время достаточными возможностями для решения поставленной задачи.

В качестве микроконтроллера для этой САУ был выбран микроконтроллер Atmega16(PDIP) производителя Atmel. Это - экономичный 8 битовый КМОП микроконтроллер, построенный с использованием расширенной RISC архитектуры AVR. Исполняя по одной команде за период тактовой частоты, Atmega16 (Рис. 1) имеет производительность около 16 MIPS на 16 МГц, что позволяет разработчикам создавать системы оптимальные по скорости и потребляемой мощности.

Рисунок 17. Микроконтроллер ATmega16 компании ATmel.

В основе ядра AVR лежит расширенная RISC архитектура, объединяющая развитый набор команд и 32 регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), что дает доступ к любым двум регистрам за один машинный цикл. Подобная архитектура обеспечивает десятикратный выигрыш в эффективности кода по сравнению с традиционными CISC микроконтроллерами. Atmega16 предлагает следующие возможности:

· 16 кБ загружаемой флэш-памяти;

· 512 байт EEPROM;

· 32 линий ввода/вывода общего назначения;

· 32*8 рабочих регистра;

· настраиваемые таймеры/счетчики с режимом совпадения;

· внешние и внутренние прерывания;

· программируемый универсальный последовательный порт;

· встроенный генератор,

· трехканальный ШИМ,

· встроенный аналоговый компаратор,

· 8 - канальный 10 - битный АЦП,

· сторожевой таймер.

Atmega16 является мощным микроконтроллером, который позволяет создавать достаточно гибкие и эффективные по стоимости устройства. Микроконтроллер питается постоянным напряжением 4.5-5.5В, рабочая частота 0-16 МГц.

Распиновка микроконтроллера показана на рис. 1.

Рис. 18. Микроконтроллер Atmel Atmega16.

Ниже приведено описание выводов микроконтроллера Atmega16.

VCC - вывод источника питания

GND - земля

Port A (PA7..PA0) - Порт A - 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта A имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта А будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы.

Port В (PВ7..PВ0) - Порт B - 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта В имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта B будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта B находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена.

Port C (PC7..PC0) - Порт C - 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта C имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта C будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта C находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена.

Port D (PD7..PD0) Порт D - 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта D имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта D будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта D находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена.

RESET - Вход сброса. Удержание на входе низкого уровня в течение двух машинных циклов (если работает тактовый генератор), сбрасывает устройство.

XTAL1 - Вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешнего тактового сигнала.

XTAL2 - Выход инвертирующего усилителя генератора.

AVCC - питание аналоговых частей микроконтроллера.

AREF - вход подключения источника опорного напряжения АЦП

Драйверная схема

Для управления электродинамическими приводами с помощью широтно-импульсной модуляции необходима установка усилителя мощности, так как уровень тока, поступающий из порта микроконтроллера слишком мал для работы приводов. Главным требованием к усилителю мощности является возможность работы на высоких частотах.

В качестве усилителя мощности будем использовать драйверную схему на полевых транзисторах MoviPower Lite, производства компании Мовиком (рис. 3). Данная схема отличается высокой надежностью, возможностью реализации высокочастотного ШИМа и реверса направления.



Рис. 20. - Усилитель мощности MoviPower Lite

Распиновка усилителя мощности показана на рис. 5.4.

Рис. 21. - Распиновка усилителя MoviPower Lite

Драйверы идеально подходят для управления электродвигателями серий ДПР, ДПМ, двигателями автомобильных стеклоподъемников и другими двигателями с аналогичными рабочими характеристиками.

Сигналы управления:

· Рабочее напряжение: 5,5 - 36 В,

· Рабочий ток: до 10А,

· Пиковый ток: до 30А

· Частота ШИМ: 10кГц,

· Реверсивное управление,

· Защита от перегрузки по току и температуре

· Спящий режим

Энкодер.

Будем использовать EP50S8-360-3F-P-24

Абсолютный однооборотный энкодер

с диаметром корпуса 50 мм, вал 8 мм,

360 имп./об.,

код Грея, PNP о

Рис. 22. абсолютный энкодер EP50S8-360-3F-P-24



Рис 23. Габаритные размеры энкодера

Концевой датчик

Для того, что бы определить, в какой момент требуется отключать питание двигателей боковых плавников, устанавливаются концевые датчики.



Рис 24.Внешний вид концевого датчика

8. Проектирование схем управления

С учетом выбранных компонентов спроектируем управляющую плату. Принципиальная схема управляющей платы представлена на рисунке 27.

Рисунок 25. Управляющая плата. Принципиальная схема.

Обозначения:

DD1 - микроконтроллер ATmega16;

DD3-5 - драйвер Movipower Lite

DD2 - панель кнопок

Enc1 - абсолютный энкодер ЛИР-ДА119

9. Алгоритм управления.

Алгоритм подпрограммы определения положения хвоста



Алгоритм работы ЦСАУ

Размещено на Allbest.ru

...