4. Koło Naukowe BekkerTeam

Opis projektu: “Wykonanie systemu sterowania i diagnostyki pojazdu marsjańskiego BekkerTrack oraz rozbudowy osprzętu roboczego.” Diagnostyka: Opis stanu maszyny wykonującej dowolne działania w ciężkich warunkach jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania podzespołów odpowiedzialnych za napęd urządzenia, amortyzację zawieszenia lub przesyłanie informacji.Koło naukowe BekkerTeam stara się przygotować łazik do pracy w warunkach, jakie można spotkać na Marsie, m.in.: rozległe kamienne pustynie, pagórki, wyschnięte kanały lub urwiska. Przystosowanie jakiegokolwiek pojazdu do pracy w takich warunkach wiąże się z wykonaniem niezbędnych testów wstępnych maszyn. W tym celu zostaną przeprowadzone badania w miejscach, które w jak największym stopniu odwzorowywać będą środowisko marsjańskie. Jednym z wielu zadań stojącym przed uczestnikami projektu jest stworzenie uniwersalnego oraz niezawodnego pojazdu. W założeniu projekt skupia się na jak największej liczbie elementów, które mogą wpłynąć na funkcjonowanie i wykonywanie prac. Projekt zakłada stworzenie interfejsu diagnostycznego, który po podłączeniu, będzie wyświetlał badaną wielkość oraz informował o wystąpieniu ewentualnych nieprawidłowości w działaniu wybranych podzespołów. Istotnym czynnikiem, który należy stale monitorować jest poziom naładowania akumulatorów. Ponadto z wykorzystaniem czujników temperatury wykonany zostanie moduł zapobiegający przegrzaniu akumulatorów. Układ ten spowoduje automatyczne wyłączenie pojazdu przy temperaturze przekraczającej normę. Planuje się, że projektowany system stale będzie monitorować ilość prądu pobieranego przez manipulator i każdy silnik elektryczny. Zarejestrowane dane zostaną wyświetlone w interfejsie. Dzięki temu dla każdego możliwe będzie określenie mocy koniecznej do jego pracy. Na tej podstawie zostanie ustalona optymalna strategia zasilania, dla której pojazd będzie miał możliwie największy zasięg przy zapewnieniu wymaganej mocy. W tym celu zostanie wykorzystany zestaw czujników poboru prądu. Do pomiaru prędkości łazika wykorzystany zostanie system opierający się na pomiarach z enkodera, który na bieżąco będzie wysyłał sygnał do interfejsu. Istotnym elementem systemu diagnostycznego jest łączność pomiędzy pojazdem BekkerTrack, a interfejsem i kontrolerem. Do komunikacji między poszczególnymi czujnikami i sterownikami zostanie wykorzystana magistrala CAN na zasadzie pętli master slaves. Po przeanalizowaniu zarejestrowanych danych sygnał będzie wysyłany przez router wi­fi do komputera z interfejsem. W tym celu niezbędny jest system, który będzie monitorował połączenie bezprzewodowe, jego jakość oraz zasięg. Pozycjonowanie łazika zapewnione będzie przez moduł GPS. Głównym celem tego podsystemu jest możliwość śledzenia pojazdu z dużą dokładnością oraz wyznaczanie najdogodniejszej trasy. Ponadto w przypadku utraty łączności z pojazdem lub przypadkowego unieruchomienia w terenie system pozwoli na odnalezienie łazika. Biorąc pod uwagę niedokładność odbiorników GPS, należy zastosować algorytm umożliwiający ograniczenie odchylenia pomiaru. W tym celu zostanie wykonany filtr Kalmana. Do ciągłego monitorowania pracy zawieszenia zastosowane zostaną akcelerometry, które mierząc przyspieszenia poszczególnych elementów będą dostarczać informacje o ich działaniu. Czujniki przymocowane będe w sposób stały na ramie pojazdu. Natomiast położenia kątowe w układzie mierzył będzie żyroskop. System taki niezbędny jest w momencie pokonywania wzniesienia lub w trakcie przejazdu przez trasę o znacznym przechyleniu poprzecznym w celu uniknięcia przewrócenia. Sterowanie: Podstawowymi elementami sterowania pojazdem marsjańskim jest laptop oraz główny sterownik znajdujący się na łaziku. Przy pomocy stworzonego interfejsu oraz kontrolera w postaci Joysticka wysyłane będą sygnały do sterownika głównego zarządzającego wszystkimi pozostałymi sterownikami. Przesył danych odbywać się będzie drogą bezprzewodową przez sieć W i­Fi. Główny sterownik będzie komunikować się z pozostałymi sterownikami oraz modułami (odpowiedzialnymi za pomiar danych z różnych czujników) wykorzystując magistralę CAN (na rys.1 linia oznaczona kolorem niebieskim). W ich skład wchodzą urządzenia odpowiedzialne m.in. za: ­ sterowanie silnikami, ­ sterowanie manipulatorem, ­ sterowanie siłownikami zawieszenia ­ pomiary czujnikami ultradźwiękowymi, ­ pomiar prędkości pojazdu, ­ pomiar poboru prądu przez silniki, ­ pomiar naładowania akumulatorów oraz ich temperatury, ­ pomiar ciężkości elementu, ­ odbiór danych z kamer. Większość danych uzyskiwanych z wyżej wymienionych elementów będzie przetwarzana przez gotowe mikrokontrolery (Arduino lub STM32). Jednym z założeń Koła BekkerTrack jest wykorzystanie teoretycznej wiedzy z zakresu programowania w praktyce. Dlatego też bazując na podstawowych elementach elektronicznych planuje się stworzyć własne sterowniki, które będą mogły komunikować się z czujnikiem oraz sterownikiem głównym. Osprzęt roboczy: W ramach projektu planuje się wykonanie szeregu badań, mających na celu wyznaczeni najlepszych właściwości współpracy koła z gruntem. W wyniki badań pozwolą na dobór odpowiedniego materiału koła/opony oraz jego kształtu. Proces wytwarzania zostanie oparty o technologię druku 3D, którą także zajmują się członkowie kołą BekkerTeam. Koło Naukowe ma trójprzegubowy manipulator z obrotowym chwytakiem. W celu rozszerzenia jego funkcjonalnych możliwości należy wykonać dokupić dodatkowe elementy. Jednym z zadań łazika jest uzyskanie próbki gleby na głębokości minimum 30 cm. W tym celu należy wykonać lub zakupić narzędzie, składające się m.in. z wiertła, silnika oraz podajnika umożliwiającego automatyczne ważenie badanego elementu. W celu rozszerzenia kąta widoku kamery planuje się wykonać wysięgnik umożliwiający zmianę jej położenia kątowego. Rys. 1 Schemat blokowy układu sterowania i diagnostyki łazika marsjańskiego. Podsumowanie: Głównym celem projektu jest stworzenie zintegrowanego systemu sterowania oraz układu pokładowej diagnostyki pojazdu. Zostanie to zrealizowane przez zaprojektowanie oraz wykonanie modułów, sterowników oraz urządzeń zapewniających określone działanie (np. transmisja danych, pomiar poziomu naładowania baterii, poboru prądu, temperatury, odległości oraz obrazu). Ponadto do posiadanego manipulatora oraz zawieszenia zostanie stworzony wymienny osprzęt roboczy umożliwiający rozszerzenie funkcjonalności łazika Ponadto projekt niesie ze sobą korzyść w postaci rozszerzenia wiedzy członków zespołu, ponieważ bazować będzie m.in. na elementach stworzonych przez uczestników. W iększość układów pomiarowych, sterowników oraz elementów roboczych tworzonych w ramach prac koła naukowego objęte jest tematyką poruszaną przez studentów w ich pracach przejściowych, inżynierskich oraz magisterskich. Zagadnienia pojawiające się w projekcie pozwolą wykonawcom pogłębić wiedzę z dziedzin poruszanych na studiach. Eksploracja innych planet jest istotną kwestią w rozwoju cywilizacji. Stanowi to głównym powód do rozważań nad tematyką poruszaną w projekcie. Projekt ma perspektywy długofalowego rozwoju. W przyszłości możliwe jest jego udoskonalenie przez wykorzystanie wydajniejszych podzespołów, innowacyjnych systemów pomiarowych oraz dodatkowych elementów diagnostycznych. Koncepcja budowy Łazika jest kontynuacją tradycji zapoczątkowanej przez absolwenta wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych Profesora Mieczysława Bekkera, pioniera w dziedzinie terramechaniki i konstruktora pierwszego pojazdu LRV. Pojazd może być sterowany manualnie i autonomicznie oraz ma bardzo szeroki zakres funkcjonalności. Istnieje możliwość zaprezentowania go w różnego rodzaju imprezach publicznych. Planowany jest udział w międzynarodowym konkursie ERC (Europe Rover Challenge). Rozwiązania zawarte w projekcie mogą być wykorzystywane w innych dziedzinach inżynierskich. Efekty wykonanych prac zostaną przedstawione na zorganizowanych przez koło wystawach. Działania te mają na celu zaciekawienie projektem łazika BekkerTrack dużej rzeszy publiczności. Szereg zabaw, konkursów i pokazów pozwoli na zwiększenie zainteresowania tym tematem wśród dzieci i młodzieży.