„sapere aude” – odważ się być mądrym

Wojciech Ciećko
GIMNAZJUM NR 1
KLASA 3B
37-400 Nisko
Ul. Wojska Polskiego 7/85
KOD ZGŁOSZENIA
UCZESTNICTWA
868d0a
11 EDYCJA
KONKURSU WIEDZY TECHNICZNEJ
„sapere aude” – odważ się być mądrym
Wstęp
Założenia projektowe
Konstrukcja
Wyporność
Przeniesienie napędu
(zmiana kierunku)
Układ sterowania
(schemat blokowy)
MJ moduł Joysticka
MJ schemat elektryczny
MJ wykonanie praktyczne
MPWM moduł sterowania
silnikami
MPWM schemat elektryczny
MPWM wykonanie praktyczne
str. 3
str. 4
str. 5
str. 6
str. 7
str. 9
str. 10
str. 11
str. 12
str. 13
str. 14
str. 15
MP1 moduł przekaźników
str. 16
MP1 schemat elektryczny
str. 17
MP1 wykonanie praktyczne
str. 18
MP2 moduł przekaźników
str. 19
MP2 schemat elektryczny
str. 20
MP2 wykonanie praktyczne
str. 21
MP3 moduł oświetlenia i zasilania
serwomechanizmu
str. 22
MP3 schemat elektryczny
str. 23
MP3 wykonanie praktyczne
str. 24
Silniki
str. 25
Transmisja obrazu
str. 26
Oświetlenie
str. 27
Układ zasilania
str. 28
Podsumowanie
str. 29
Bibliografia
str. 31
2
Głębie mórz i oceanów są najmniej znanymi obszarami naszej planety. Sam
rozwój urządzeń zdolnych do ich eksploracji kosztował dziesięciolecia badań.
Eksploracja głębin oraz obserwatoria dna morskiego mogą stanowić klucz do
wielu nowych odkryć naukowych i pomóc nam w zrozumieniu i oszacowaniu
efektów potencjalnego wpływu na zmiany klimatyczne.
Projekt robota powstał w wyniku mojej
inspiracji postacią Jacques-Yves Cousteau
(1910 - 1997).
Sam Cousteau, zwykł się określać
mianem
oceanograficznego
technika.
W rzeczywistości był miłośnikiem przyrody,
w szczególności morza. Jego prace
umożliwiły milionom ludzi ujrzenie życia
"niebieskiego kontynentu", jak określano
światowy ocean.
3
Przyjąłem następujące kryteria w realizacji projektu:
• konstrukcja oparta na wykorzystaniu materiałów i elementów łatwo dostępnych,
• konstrukcja mechaniczna stanowiąca tzw. „szkielet”, na którym zamocowane zostaną
wszystkie elementy wykonawcze robota,
• modułowa konstrukcja elektryczna, która umożliwi łatwą modernizację, serwis i
naprawę,
• prosty i niezawodny układ sterowania, umożliwiający:
zmianę kierunku,
zmianę głębokości zanurzenia,
zmianę prędkości poruszającego się robota
• przekaz obrazu za pomocą kamery CCD, pozwalającą na obserwację otoczenia,
• oświetlenie załączane w przypadku trudnych warunków eksploracji,
• sterowanie wszystkimi funkcjami za pomocą Joysticka,
• niezawodne połączenie układu, pozwalające na odzyskanie robota w przypadku
awarii.
4
Konstrukcja mechaniczna robota, została
zaprojektowana tak, aby zminimalizować
jego ciężar. Szkielet ażurowy wykonałem z
kątowników aluminiowych. Dodatkowe
poprzeczne wzmocnienia z płaskowników
łączą i usztywniają całą konstrukcję. Całość
połączyłem za pomocą nitów aluminiowych,
eliminuje to do minimum, możliwość
rozkręcenia się połączeń, podczas pracy
robota. Silniki napędu oraz głębokości
zamontowałem w głównych osiach
konstrukcji, do tego celu wykorzystałem
metalowe opaski, zapewnia to trwałość
połączeń i odporność na drgania.
Elementy balastu stanowią dwie rury PCV w których zamontowane zostało
oświetlenie robota.
5
Robot powinien unosić się na
wodzie (granica pływalności).
Wyporność dodatkową w tej
konstrukcji
stanowią
balasty
wykonane z dwóch rury PCV o
wymiarach Ф 50 x 500. Pojazd bez
włączonego silnika zanurzenia
pływa tuż pod powierzchnią wody .
Siła wyporu równoważona jest przez siłę ciężkości. W momencie uruchomienia silnika
głębokości zanurzenia, pojawia się dodatkowa siła, która powoduje zanurzenie pojazdu
na większą głębokość. Zanurzenie jest tym większe, im wyższe są obroty silnika.
6
Silniki przenoszą napęd na śrubę, poprzez wał napędowy. Zastosowałem tulejkę z
włókna węglowego, którą uszczelnia simmering. Silniki zostały umieszczone w rurze z PCV.
Odpowiednie dopasowanie części zapewnia estetykę i prostotę wykonania, szczelność
konstrukcji oraz izoluje silniki przed wpływami wilgoci.
Silniki napędu i zanurzenia
7
Śruby napędowe, to gotowe rozwiązanie stosowane do napędu modeli pływających.
Ich średnica wynosi 3cm. Śruby zostały trwale zamocowane na wałach i umieszczone
w dodatkowych rurach PCV o większej średnicy w osi z silnikami napędu. Takie
rozwiązanie, umożliwia swobodny przepływ wody wokół śrub napędowych, pozwala
łatwo ukierunkować wymuszony przepływ wody, zwiększa sterowność modelu i ułatwia
jego kierowanie.
Sterowanie kierunkiem prawo\lewo odbywa się poprzez odchyleniem strumienia
przepływu wody. Serwomechanizm sterowany jest z joysticka, połączony jest on cięgnami
z ruchomym tunelem w którym znajduje się śruba napędu. Odchylenie kierunku
strumienia wody wychodzącego ze śruby napędowej, pozwala na zmianę kierunku
poruszania się robota. Taka konstrukcja jest prosta i niezawodna w porównaniu
z zastosowaniem steru pionowego.
Praktyczne rozwiązanie sterowania serwomechanizmu kierunku przepływu strumienia
wody.
8
Akumulator
Sterowanie START/STOP
Zmiana kierunku obrotów – napęd główny
Silnik napędu
MP 1
Wyjście PWM – silnik napędu
MJ
Zmiana kierunku przepływu
MP 2
Silnik serwo
Regulacja obrotów napędu głównego
Regulacja obrotów silnika zanurzenia
MPWM
Zasilanie serwa
MP 3
Oświetlenie
Sterowanie oświetleniem
Wyjście PWM
Silnik zanurzenia
MJ – moduł Joystika
MPWM – moduł sterowania silnikami PWM
MP 1 – moduł przekaźników (zmiana kierunku obrotów i sterowanie zasilaniem)
MP 2 – moduł przekaźników (sterowanie przepływowe zmianą kierunku)
MP 3 – moduł przekaźników (zasilanie serwomechanizmu steru kierunku i oświetlenia)
9
Sterowanie funkcjami robota zaprojektowałem wykorzystując joystick komputerowy.
Został on gruntownie przebudowany i zaadaptowany do pełnienia funkcji głównego
panelu kontrolnego. Umożliwia on:
- sterowanie ON/OFF całego robota,
- niezależne sterowanie silnikiem napędu robota, umożliwia to ruch do przodu i do
tyłu z płynną regulacją obrotów,
- niezależne sterowanie silnikiem zanurzenia z płynną regulacją obrotów silnika,
- sterowaniem serwomechanizmem steru lewo/prawo
- włączenie oświetlenia w trudnych warunkach eksploracji.
Joystick połączony jest z robotem rozłączalnym złączem niskoprądowym. Rozwiązanie
to, eliminuje stosowanie dodatkowych przewodów zasilających, redukuje spadki napięć,
pozwala na obniżenie kosztów i zwiększa czasu pracy robota w normalnych warunkach
eksploatacji.
10
R1 – POTENCJOMETR REGULACJI OBROTÓW
(GŁÓWNY NAPĘD ROBOTA)
R2 – POTENCJOMETR REGULACJI OBROTÓW
(GŁĘBOKOŚĆ ZANURZENIA)
S1 – STEROWANIE ROBOTA (WŁĄCZ/ WYŁĄCZ)
S2/S3 – ZMIANA KIERUNKU (NAPRZÓD/WSTECZ)
S4/S5 – ZMIANA KIERUNKU (LEWO/PRAWO)
S6 – STEROWANIE OŚWIETLENIEM
D1-D3 – WSKAŻNIK ZASILANIA
11
Widok układu połączeń
Widok ogólny
1. Włącznik zasilania - załącz/wyłącz
2. Zmiana kierunku - przód / tył
3. Zmiana kierunku - lewo/prawo
4. Regulacja obrotów - przód / tył
5. Regulacja obrotów - zanurzenie
6. Włącznik oświetlenia
7. Wskaźnik zasilania
12
Moduł ten, ma na celu regulacje prędkości silników prądu stałego. Najczęściej
stosowanym regulatorem silnika prądu stałego, jest sterownik mocy z regulowanym
współczynnikiem wypełnienia impulsu PWM Pulse Width Modulation (MSI - Modulacja
Szerokości Impulsu).
PWM, jest to metodą regulacji sygnału prądowego lub napięciowego, polegającą na
zmianie szerokości impulsu o stałej amplitudzie. Poprzez regulację wypełnienia sygnału,
jesteśmy w stanie kontrolować ilość prądu jaka jest dostarczana do naszego silnika.
Sterowanie PWM jest bardzo efektywne, zapewnia tylko taki pobór mocy jaki jest nam
potrzebny, bez dużych strat ciepłą traconego w tranzystorze wykonawczym. W module
zastosowano podwójny układ timera NE556 oraz tranzystory MOSFET typu IRF740N.
Moduł zapewnia:
- płynną niezależną regulację obrotów silników zanurzenia i kierunku,
- niezależną wizualizację działania regulatorów poprzez kontrolę jasności diod LED
umieszczonych w obwodach sterowania.
Moduł PWM umożliwia sterowanie silnikami o wyższym napięciu i mocy
znamionowej, pod warunkiem stabilizacji napięcia sterownika na poziomie
dopuszczalnego zakresu napięcia zasilania układu scalonego NE556.
13
D1, D4 – 1N4148
C1, C3 – 1nF/25V
C2, C4 – 10nF/25V
R1, R2 – 1.2k/0.25W
IC1 – NE556
D7, D8 - LED
R3, R4 – 100/0.25W
R5, R6 -1.2k/0,25W
D5, D6 – 1N4007
Q1, Q2 – IFR740N
C5 – 220uF/16V
14
Moduł wykonany został na płytce uniwersalnej.
Takie rozwiązanie pozwala na drobne poprawki
w trakcie realizowania projektu oraz uniwersalność
zastosowań. Dwa złącza umożliwiają łatwość
serwisowania.
Jako wskaźnik poprawnego działania modułu
wykorzystałem wizualizację szerokości impulsów
na dwóch diodach LED – większa szybkość
obrotowa, to jaśniejsze świecenie diod LED,
osobno dla każdego z silników.
Tranzystory sterujące MOSFET znajdują się przy obu przeciwległych krawędziach płytki,
pozwala to na łatwe umieszczenie tranzystorów na radiatorach, tak aby odprowadzać
znaczą ilość ciepła wydzielaną w elementach mocy.
15
Moduł przekaźnika MP 1 odpowiedzialny jest za;
- ‘zdalne’ zasilanie robota poprzez manipulator, sterowany jest on przez operatora robota,
- zmianę kierunku obrotów silnika wykorzystywanego do napędu robota.
16
K1, K2, K3 – RM507
D1, D3, D6 – 1N4007
R1,R2,R3 – 1.2k/0.25W
D2, D4, D5 - LED
17
Moduł został wykonany na płytce uniwersalnej.
Do załączania układu jak i do zmiany kierunku
obrotów silnika wykorzystałem sterowanie w
oparciu o przekaźniki ze stykami przełączanymi. Na
module umieściłem;
- złączę sterowania,
- złącza mocy,
- diody zabezpieczające.
-
Moduł został zaprojektowany tak aby;
wizualizować stany przekaźników (diody LED),
dokonać łatwej diagnozy prawidłowego działania
modułu,
ułatwić szybki serwis i montaż.
Aby zminimalizować przepięcia pojawiające się podczas załączania przekaźników,
zastosowałem diody tłumiące w obwodach sterowania przekaźników. Chroni to obwody
PWM przed przypadkowymi impulsami wyzwalającymi, jak również zabezpiecza modułu
Joysticka (MJ) przed wypaleniem styków mikrowyłączników.
18
Moduł ten jest kopią opisanego wcześniej modułu MP 1. Umożliwia on:
sterowanie serwomechanizmem za pomocą którego realizowana jest zmiana kierunku
poruszającego się robota,
łatwość naprawy i modernizacji
19
K5, K4 – RM507
R1, R2 – 1.2K/0.25W
D1, D3 – 1N4007
D2, D4 - LED
20
Moduł został wykonany na płytce uniwersalnej.
Do załączania układu jak i do zmiany kierunku
obrotów silnika wykorzystałem przekaźniki ze
stykami przełączanymi. Na przekaźniki dwustanowe
module umieściłem;
- złącza sterowania
- złącza mocy
- diody zabezpieczające
Moduł został zaprojektowany tak aby;
- wizualizować stany przekaźników (LED),
- dokonać łatwej diagnozy prawidłowego działania modułu,
- ułatwić szybki serwis i montaż.
21
Moduł MP 3 ma zadanie:
• sterować niezależnie z poziomu joysticka oświetleniem robota,
• dostosować napięcie akumulatora do zasilania układy serwomechanizmu (5V),
• dostosować napięcie akumulatora do zasilania oświetleniem LED (5V).
Moduł został wykonany na płytce uniwersalnej. Oświetlenie robota w wersji
prototypowej wyposażone zostało w lampy typu LED o prądzie znamionowym 0,2A.
Mimo tak małego poboru prądu, już na etapie prototypu zastosowałem układ zasilania
sterowany przez przekaźnik. Takie rozwiązanie pozwala na praktycznie dowolne
zastosowanie każdego źródła światła, bez ograniczeń w ich mocy.
Układ zasilania oświetleniem i serwomechanizmem, zasilany jest obniżonym do 5V
napięciem stabilizowanym przez dwa niezależne monolityczne stabilizatory napięcia typu
7805.
Takie rozwiązanie upraszcza konstrukcję, zabezpiecza układ od przypadkowych zwarć
i przeciążeń układu.
22
D1, D3, D4, D5, D6 – 1N4007
R1 – 1.2K/0.25W
IC1, IC2 – KA7805
K6 – RM507
C1-C4 – 100uF/16V
23
Moduł
wykonany
na
płytce
uniwersalnej. Umieszczone złącza
ułatwiają montaż i serwis modułu.
Stabilizatory zaopatrzone zostały w
dwa oddzielne radiatory aby rozproszyć
wydzielaną w nich moc strat.
Diody LED, sygnalizują prawidłową
pracę modułu. W obwodzie sterowania
przekaźnika
zastosowałem
diodę
tłumiącą.
Funkcja sterowania załączaniem
oświetlenia realizowana jest z joystcika.
Zastosowane sterowanie z układem
wykonawczym
na
przekaźniku,
umożliwia zastosowanie w przyszłości
źródeł światła o znacznej mocy.
24
Do napędu modelu zastosowałem silniki
prądu stałego stosowane we wkrętarkach
elektrycznych.
Małe rozmiary, duży moment obrotowy,
prosty montaż, odporność na przeciążenia i
łatwość
sterowania,
to
zalety
które
zadecydowały o wyborze w tym konkretnym
projekcie.
Znamionowe napięcie pracy – 14V
25
Model robota wyposażony jest w poglądową
kamerę CCD, umożliwia przekazywanie obrazu
obejmującego najbliższe otoczenie robota. Do
tego celu zaadaptowałem kamerkę internetową.
Obraz przekazywany jest za pomocą złącza USB
do przenośnego laptopa.
Rozwiązanie profesjonalne to zastosowanie
kamery wyposażonej w:
obiektyw o ogniskowej 1,8mm (super szeroki
kąt widzenia – tzw. "rybie oko")
podświetlenie diodami IR dzięki którym
możliwa jest obserwacja w całkowitych
ciemnościach
akumulator 7Ah wystarczający na ponad 12h
ciągłej pracy z wykorzystaniem podczerwieni
możliwość zdalnej zmiany położenia kamery
26
Dodatkowe oświetlenie zamontowałem
w zbiornikach balastowych umieszczonych
symetrycznie na burtach robota. Całość
została zabezpieczona i uszczelniona.
Jako źródła światła wykorzystałem
lustra, klosze i diody LED, które odzyskałem
z latarek wodoodpornych. Napięcie
zasilania lamp zostało obniżone z 12V na 5
Volt, tak aby nie przekroczyć prądu
znamionowego diod LED.
27
W zaproponowanym przeze mnie
projekcie, do zasilania robota wykorzystałem
akumulatory żelowe. Charakteryzują się one
dużą pojemnością przy małych gabarytach,
łatwością montażu, odpornością na wstrząsy.
Umieściłem je na konstrukcji robota, takie
rozwiązanie pozwala to zminimalizować
spadki napięć na przewodach zasilających,
zwiększając
przy
tym
sprawność,
minimalizując koszty związane z zakupem
przewodów
o
znacznym
przekroju
i upraszczając znacznie całą konstrukcję .
Do zasilania robota użyłem akumulatora żelowego 12V/7Ah.
28
Założenia wstępne projektu zostały zrealizowane. Wykonana konstrukcja szkieletu,
jest lekka, przy okazji sztywna i stabilna. Pozwala z powodzeniem na montaż silników
i serwomechanizmu kierunku. Balast został przymocowany do szkieletu, wykonany został
z rury PCV, do nich wmontowałem także dodatkowe oświetlenie.
Sterowanie robota umożliwia joystick z którego sterujemy wszystkimi funkcjami
robota. Został on przerobiony z oryginalnego joysticka PC i zaadoptowany do potrzeb
realizowanego projektu. Konstrukcja modułowa układu sterowania pozwala na łatwą
modernizację, jest prosta, przez co niezawodna w trudnych warunkach eksploatacji.
Zastosowane moduły sterowania PWM pozwalają na sterowanie silnikami znacznie
większej mocy niż zostały użyte w tym projekcie, przez co czyni układ uniwersalnym dla
tego typu projektów.
Wszystkie moduły wykonałem na płytkach uniwersalnych, to pozwoliło mi na
modyfikacje rozłożenia elementów jeszcze na etapie wykonania, tak aby optymalnie
wykorzystać dostępną mi przestrzeń, umieścić moduły w ograniczonej objętości,
umożliwiając jednocześnie swobodny dostęp dla niezbędnych prac montażowych
i pomiarów.
Schematy elektryczne wykonałem przy pomocy programu EAGLE PCB DESIGN
SOFTWARE firmy CadSoft (Freeware), przyjazny dla użytkowania interfejs, możliwość
projektowania PCB i symulacji, to główne zalety tego oprogramowania.
29
Opracowany i wykonany przeze mnie model, jest projektem wskazującym możliwości
rozwoju tego typu konstrukcji. Spośród wielu zadań, które oferują rozwiązania
profesjonalne robotów podwodnych, możemy wymienić min.:
- badanie wraków łodzi i obiektów podwodnych,
- badanie ukształtowania dna morskiego i ekosystemów wodnych,
- pomoc w akcjach ratowniczych i naprawczych.
Robot podwodny
- realizacja praktyczna
Układ sterowania robota
(akumulator, joystick,
moduł sterujący)
30
POLITECHNIKA RZESZOWSKA / Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa / Katedra Awioniki i
Sterowania Laboratorium Podstaw Elektroniki - Sterowanie silnikami elektrycznymi.
CadSoft EAGLE PCB - www.cadsoftusa.com
WIKIPEDIA
ELEKTRODA.PL
http://www.mikrokontrolery.org/artykuly/elektronika/130-pwm-modulacja-szerokoci-impulsu
http://www.ne555.com/
http://www.muzeum.uw.edu.pl/2011/06/07/najg%C5%82%C4%99bsze-tajemnice-planety-polskieeks ploracje-podwodne/
http://pl.wikipedia.org/wiki/Jacques-Yves_Cousteau
http://www.dekompresja.eu/index.php?option=com_content&view=article&id=93&Itemid=53
http://www.joemonster.org/art/11026/Niezwykle_zdjecia_podwodne
http://www.elektroda.pl/rtvforum/topic359956.html#9425346
31