Detekcja zderzeń w robotach mobilnych

Transkrypt

1 Politechnika Wrocławska Wydział Elektroniki Detekcja zderzeń w robotach mobilnych DOKUMENTACJA WYKONANA W RAMACH KURSU PROJEKT ZESPOŁOWY Adam Pyka luty-czerwiec 2010

2 Spis treści 1 Przegląd literatury i wybranych sensorów Wprowadzenie do detekcji zderzeń Akcelerometry Budowa akcelerometru pojemnościowego Budowa akcelerometru piezorezystywnego Detekcja zderzeń - parametry Możliwe rozwiązania Analog Devices Freescale Semiconductors SensoNor Charakterystyka wybranych czujników MMA2202KEG, Freescale Semiconductor SA20, SensoNor Realizacja układu sensorycznego Koncepcja realizacji Moduł pomiarowy Czujniki akcelerometryczne Przetwornik analogowo-cyfrowy, układ klawiatury Mikrokontroler i układy komunikacji Układ zasilania Projekt PCB Wykonanie modułu testowego Uruchomienie modułu testowego Walidacja i testowanie układu sensorycznego Moduł pomiarowy Pomiary Komunikacja Platformy jezdne Oprogramowanie komunikacyjne Analiza danych Typy zderzeń Zderzenie czołowe Zderzenie kątowe Rezultaty

3 1 Przegląd literatury i wybranych sensorów 1.1 Wprowadzenie do detekcji zderzeń Detekcja zderzeń jest wymagana w wielu urządzeniach technicznych. Trudno wyobrazić sobie działanie dysków twardych w laptopach czy innych przenośnych urządzeniach bez układu tłumienia drgań głowic. Ponadto, detekcja zderzenia jest konieczna do zapewnienia bezpieczeństwa w motoryzacji - to właśnie akcelerometr jest pierwszym elementem łańcucha zapewniającego uruchomienie poduszek powietrznych w razie wypadku samochodowego. Producenci urządzeń elektronicznych poszukują nowych rozwiązań zwiększających komfort użytkowania sprzętu - z pomocą przychodzi im akcelerometr, pozwalający wykrywać wstrząsy, które można następnie wykorzystać do sterowania funkcjami danego urządzenia. W końcu, detekcja zderzeń może służyć także do nawigacji robotów mobilnych. Analizując walki robotów typu sumo nie spotkano dotychczas rozwiązań, które wspomagałyby robota w przypadku uderzenia go przez przeciwnika. Niniejsze opracowanie ma stanowić podwaliny do takiej nawigacji. 1.2 Akcelerometry Akcelerometr jest urządzeniem umożliwiającym pomiar działającego na niego przyspieszenia liniowego bądź kątowego. Obecnie produkowane akcelerometry wykonane są w technologii MEMS 1. W pojedynczej hermetycznej obudowie, najczęściej typu SMD, zamknięta jest komora pomiarowa oraz często także układ przetwarzania sygnału Budowa akcelerometru pojemnościowego Komora pomiarowa jest strukturą uformowaną z materiału półprzewodnikowego (krzemu polikrystalicznego) przy użyciu technik produkcji materiałów półprzewodnikowych (maskowanie i wytrawianie). Uformowanie tworzy zestaw belek przymocowanych do ruchomej centralnej masy, poruszającej się pomiędzy stałymi belkami. Belki ruchome mogą zostać odchylone od swojej pozycji poprzez poddanie układu pod wpływ przyspieszenia (rys. 1). Kiedy belki przymocowane do centralnej masy poruszą się, odległość od nich do stałych belek z jednej strony wzrośnie, a z drugiej strony zmaleje o taką samą wartość, zależną od wartości przyspieszenia układu. Belki komory tworzą elektrycznie dwa szeregowo połączone kondensatory (rys. 1). Gdy środkowa okładka kondensatora poruszy się pod wpływem przyspieszenia, zmieni się odległość pomiędzy belkami, a w efekcie pojemność kondensatora: C = N Aɛ (1) D gdzie: A - powierzchnia okładki belki, ɛ - stała dielektryczna, D - odległość pomiędzy belkami, N - ilość belek. 1 Micro-Electro-Mechanical Systems 2

4 Rysunek 1: Modele akcelerometru Układ ASIC 2 używa techniki przełączanej pojemności do pomiaru wartości pojemności kondensatorów komory czujnika i wydobywa użyteczne dane z różnicy zmierzonych pojemności. Ponadto, ASIC przetwarza i filtruje sygnał, dając na wyjściu napięcie proporcjonalne do przyspieszenia. Spotykane są także układy posiadające wbudowany przetwornik ADC 3, dający na wyjściu sygnał cyfrowy Budowa akcelerometru piezorezystywnego Podobnie jak w akcelerometrze pojemnościowym (par ), w komorze pomiarowej uformowana jest belka pomiarowa, na końcu której zamontowana jest ceramiczna masa. Mostek piezorezystywny zbudowany jest z dwóch poprzecznych i dwóch podłużnych piezorezystorów umiejscowionych w obszarze maksymalnego działania siły (rys. 2). Komora pomiarowa wypełniona jest olejem silikonowym o odpowiedniej lepkości, co zapewnia tłumienie drgań własnych belki pomiarowej. Cienka membrana zatopiona w obudowie wyrównuje ciśnienie oleju we wnętrzu komory przy zmianach temperatury pracy czujnika. Bezwładność masy pomiarowej poddanej działaniu przyspieszenia powoduje ugięcie belki pomiarowej. Piezorezystory umiejscowione na jej powierzchni doznają silnego udaru siły, co powoduje zmianę wartości ich rezystancji na skutek efektu piezorezystywnego w domieszkowanym krzemie. Zmiana rezystancji dla piezorezystorów poprzecznych i podłużnych będzie przeciwnych znaków, co pozwala utworzyć na wyjściu konfigurację pełnomostkową, cechującą się dobrą stabilnością temperaturową. Czułość poprzeczna jest niska ze względu na symetryczne umieszczenie masy pomiarowej względem płaszczyzny gięcia. 2 Application Specific Integrated Circuit 3 Analog-to-digital converter 3

5 Rysunek 2: Mikrofotografia belki pomiarowej 1.3 Detekcja zderzeń - parametry Przyspieszenie definiuje się jako pochodną prędkości po czasie - jest to miara zmienności prędkości. Przyspieszenie jest wielkością wektorową, gdy jej zwrot jest skierowany przeciwnie do zwrotu prędkości ruchu, to prędkość maleje, a przyspieszenie nazywamy opóźnieniem. Akcelerometr jest przyrządem pozwalającym zmierzyć wartość przyspieszenia (opóźnienia) oraz określić jego zwrot. W przypadku zderzenia, nastąpi gwałtowny spadek wartości prędkości, czyli gwałtownie wzrośnie wartość opóźnienia. Z definicji przyspieszenia (opóźnienia) można oszacować jego wartość, znając wartość prędkości badanego ciała (w tym przypadku robota). Problematyczne jest wyznaczenie czasu, w jakim następuje zderzenie. Czas ten zależy od rodzaju zderzenia i strefy zgniotu, która zależy od rodzaju materiału z jakiego zbudowany jest robot oraz od materiału z którym się zderza. Szacunki są bardzo problematyczne i złe oszacowanie zmienia o rząd wartość spodziewanego przyspieszenia (opóźnienia). Z pomocą w oszacowaniu przychodzi literatura [3]. W opracowaniu autor zamieszcza wykres wartości przyspieszenia od czasu, dla zderzenia samochoduzabawki ze sztywnym zderzakiem. Z wykresu odczytano, że maksymalna amplituda opóźnienia wyniosła około 45g w czasie 1ms. Podobnie, w opracowaniu [4] zamieszczona została charakterystyka czasowa typowego stuknięcia w górną obudowę pagera. W chwili uderzenia, akcelerometr doznaje przyspieszenia o wartości ponad 50g, w czasie nie dłuższym niż 3ms. W literaturze [12] autor przedstawia charakterystyki czasowe wartości przyspieszenia w przypadku upadku robota bądź detekcji ruchu. Spodziewane wartości przyspieszeń mieszczą się w przedziale ±6g, co jest wartością dość małą i łatwą do pomiaru. Na podstawie wykresów w obu powyższych opracowaniach zdecydowano, że spodziewana wartość przyspieszenia (opóźnienia) działająca na małego robota mobilnego nie powinna przekroczyć 60g, z optimum 50g, zatem należy znaleźć 4

6 akcelerometr cechujący się takimi parametrami. 1.4 Możliwe rozwiązania Wśród producentów akcelerometrów prym wiodą Freescale Semiconductor, Analog Devices, ST Microelectronic oraz MemsIC. Przeanalizowane zostały katalogi wszystkich wymienionych firm pod kątem produktów spełniających wymaganie dużego zakresu pomiarowego (high-g accelerometers). Niestety, jedynie produkty firm Freescale i Analog Devices spełniały wymagania. Pozostali producenci nie mają w ofercie akcelerometrów z zakresem co najmniej ±50g Analog Devices Analog Devices produkuje w technologii MEMS trzy serie czujników: ˆ ADXL001: ±70g/±250g/±500g, jednoosiowy ˆ ADXL278: ±35g/±50g/±70g, dwuosiowy ˆ ADXL78: ±35g/±50g/±70g, jednoosiowy Z punktu widzenia projektu, najbardziej optymalny byłby akcelerometr ADXL278 w wersji ±70g. Posiada on dwie osie, dzięki czemu jednym czujnikiem można wykryć i zmierzyć zderzenia nadchodzące z różnych stron. Niestety, wszystkie powyższe czujniki nie są dostępne w systemie darmowych próbek (Sample Program), a dystrybutorzy w Polsce odmawiają sprzedaży pojedynczych sztuk. Podsumowując - nie jest możliwe przetestowanie akcelerometrów firmy Analog Devices z powodu ich niedostępności na rynku Freescale Semiconductors Freescale Semiconductor posiada znacznie szerszy wybór akcelerometrów w wymaganym zakresie medium i high-g. W zakresie medium-g dostępne są następujące czujniki: ˆ MMA3201: ±40g, dwuosiowy XY ˆ MMA2201: ±40g, jednoosiowy X ˆ MMA2202: ±50g, jednoosiowy X ˆ MMA3204: ±30g/±100g, dwuosiowy XY ˆ MMA3202: ±50g/±100g, dwuosiowy XY ˆ MMA2204: ±100g, jednoosiowy X ˆ MMA1213: ±50g, jednoosiowy Z ˆ MMA1210: ±100g, jednoosiowy Z Natomiast z zakresu high-g produkowane są: ˆ MMA1211: ±150g, jednoosiowy Z 5

7 ˆ MMA2301: ±200g, jednoosiowy X ˆ MMA1212: ±200g, jednoosiowy Z ˆ MMA2300: ±250g, jednoosiowy X ˆ MMA1200: ±250g, jednoosiowy Z Wszystkie powyższe czujniki posiadają analogowe wyjście, filtr dolnoprzepustowy 400Hz oraz charakteryzują się napięciem zrównoważenia (zero-g) 2,5V przy napięciu zasilania 5V. Najlepszym rozwiązaniem byłoby zastosowanie czujnika dwuosiowego. Niemniej, produkowane czujniki dwuosiowe posiadają zakres pomiaru zbliżony do amplitudy spodziewanych wartości przyspieszeń, co może powodować niestabilność odczytów. Doświadczenia z produktami Analog Devices spowodowały konieczność pierwotnego rozpoznania rynku pod kątem dostępności elementów. Okazało się, że podobnie jak poprzednio, dystrybutorzy nie prowadzą detalicznej sprzedaży akcelerometrów. Również w sklepach na próżno szukać czujników o tak dużym zakresie pomiarowym - dostępne są jedynie wersje na niskie wartości przyspieszeń. Freescale Semiconductors prowadzi na szczęście program darmowych próbek (Sample Program) 4. Wśród produktów samplowanych dostępny był 5 jedynie jednoosiowy akcelerometr MMA2202 o zakresie pomiarowym ±50g. Warto zaznaczyć, że Freescale Semiconductor pobiera opłatę związaną z obsługą programu samplowego, równą 5 dolarów od linijki zamówienia. Ponadto ograniczone są maksymalne ilości zamawianych próbek w zależności od produktu. Z powodu braku możliwości wyboru innego rozwiązania, zostały zamówione dwie sztuki akcelerometru MMA SensoNor Podczas poszukiwań na jednym z większych polskich portali aukcyjnych natrafiono przypadkiem na czujnik SA20 firmy SensoNor. Jest to czujnik zderzeń przeznaczony do zastosowań w systemach sterowania poduszkami powietrznymi (AirBag). Po przeanalizowaniu dokumentacji technicznej układu [9], stwierdzono że układ spełnia wymagania dotyczące zakresu pomiarowego ±50g, choć kłopotliwe będzie jego zastosowanie z powodu braku wewnętrznego układu przetwarzania sygnału. Z powodu innej metody pomiarowej, celem porównania, a także z powodu niskiej ceny, została zakupiona jedna sztuka akcelerometru SA Charakterystyka wybranych czujników MMA2202KEG, Freescale Semiconductor Akcelerometr MMA2202KEG firmy Freescale Semiconductor [6] jest jednoosiowym (oś X), pojemnościowym, analogowym akcelerometrem MEMS, pracującym w zakresie ±50g. Czujnik ten posiada 4-biegunowy dolnoprzepustowy 4 Darmowe próbki aktualnie rozwijanych produktów w celach testowych, ewaluacyjnych i edukacyjnych 5 Aktualnie (4 kwietnia) produkt nie jest dostępny w ramach Sample Program 6

8 filtr Bessela, self-test oraz kompensację temperatury. Akcelerometr jest fabrycznie skalowany i nie wymaga żadnych zewnętrznych elementów do poprawnego działania. Rysunek 3: Uproszczony schemat blokowy akcelerometru MMA2202 Zakres zastosowań akcelerometru to m. in. monitoring i rejestracja wibracji, ochrona dysków twardych, mysze, joysticky i inne urządzenia wejścia, systemy monitoringu sportowego SA20, SensoNor Akcelerometr SA20 firmy SensoNor [9] jest jednoosiowym, piezorezystywnym, analogowym akcelerometrem MEMS, pracującym liniowo w zakresie ±50g oraz nieliniowo do ±1500g. Czujnik oprócz mostka pomiarowego nie posiada żadnego układu przetwarzania sygnału, zatem konieczne jest jego zewnętrzne wykonanie. Akcelerometr ten występuje w różnych niestandardowych obudowach, w zależności od docelowego zastosowania. Rysunek 4: Schemat elektryczny akcelerometru SA20 Zakres zastosowań akcelerometru obejmuje głównie systemy uruchamiania poduszek powietrznych (AirBag) w samochodach. Producent deklaruje, że jest to już druga generacja czujników, zapewniająca firmie czołowe miejsce wśród producentów akcelerometrów dla przemysłu motoryzacyjnego. 7

9 2 Realizacja układu sensorycznego 2.1 Koncepcja realizacji Detekcja zderzeń w robotach mobilnych wymaga innego podejścia do układu pomiarowego czujnika akcelerometrycznego. W zastosowaniach IMU, gdzie mierzone przyspieszenie (akceleracja) jest wykorzystywana dalej do nawigacji robota, konieczne jest zastosowanie czujników na małą wartość przyspieszenia G. Wyższe wartości traktowane są jako szumy i wycinane przez odpowiednią filtrację sygnału. Dla detekcji zderzeń konieczne jest wykrywanie stosunkowo krótkich szpilek sygnałów o dużych amplitudach, stąd nieco inna koncepcja układu pomiarowego. W celach badawczych, zrezygnowano z umieszczenia akcelerometrów bezpośrednio w płycie robota mobilnego na korzyść osobnego modułu testowego, który będzie samodzielnie przetwarzał sygnały z czujników i po odpowiedniej obróbce przesyłał do dalszego wykorzystania. 2.2 Moduł pomiarowy Moduł pomiarowy składa się z trzech akcelerometrów i piezorezystywnego czujnika przyspieszeń wraz z układem dopasowującym sygnał i przetwornikiem analogowo-cyfrowym. Sygnał cyfrowy obrabiany jest przez mikrokontroler, który steruje również alfanumerycznym wyświetlaczem LCD oraz obsługuje klawiaturę. Wymagane napięcia otrzymywane są z wbudowanej przetwornicy napięcia oraz stabilizatorów. Całość zasilana jest z napięcia 7,5/0,4A.. 15V/0,2A. Schemat modułu pomiarowego przedstawia rysunek 5. Schemat ten jest oryginałem pierwotnego modułu, który na skutek szeregu wykrytych błędów koncepcyjnych opisanych w rozdziale 2.5 uległ dość znacznej modyfikacji. Na schemacie można wyróżnić bloki realizujące poszczególne funkcje modułu: ˆ blok czujników akcelerometrycznych ˆ blok przetwornika analogowo-cyfrowego i klawiatury ˆ blok mikrokontrolera sterującego i układy komunikacji ˆ blok układu zasilania W kolejnych podrozdziałach zostaną one szczegółowo omówione. 8

10 Rysunek 5: Schemat modułu testowego Czujniki akcelerometryczne Na płycie modułu, w części centralnej zostały umieszczone dwa akcelerometry MMA2202EG [6] firmy Freescale Semiconductors. Są to jednoosiowe analogowe akcelerometry o następujących parametrach: ˆ zakres pomiarowy: ±50g ˆ napięcie zasilania: 5V ˆ pobór prądu: 5mA ˆ napięcie braku akceleracji: 2,5V ˆ czułość: 40mV/g 9

11 ˆ self-test ˆ częstotliwość rezonansowa obudowy: 10kHz ˆ obudowa: SOIC-16 Prostopadłe umieszczenie akcelerometrów pozwala na pomiar przyspieszenia w osi zarówno X jak i Y. Za oś X uznano oś równoległą do dłuższego boku modułu pomiarowego. Oprócz w-w akcelerometrów stanowiących niejako główny układ pomiarowy, w celach porównawczych, zamontowany został jednoosiowy analogowy akcelerometr MMA1212D [5]. Charakteryzuje się on następującymi parametrami: ˆ zakres pomiarowy: ±200g ˆ napięcie zasilania: 5V ˆ pobór prądu: 5mA ˆ napięcie braku akceleracji: 2,5V ˆ czułość: 10mV/g ˆ self-test ˆ częstotliwość rezonansowa obudowy: 10kHz ˆ obudowa: SOIC-16 Wyżej wymienione czujniki dają na wyjściu sygnał napięciowy w zakresie 0..5V z wartością 2,5V przy braku akceleracji. Wyjścia napięciowe zostały podłączone do przetwornika analogowo-cyfrowego. Wyjścia diagnostyczne oraz wejścia żądania zwrócenia stanu poprawności działania zostały podłączone bezpośrednio do pinów mikrokontrolera. Ponadto, na płycie umieszczono również piezorezystywny czujnik serii SA20 [9] firmy SensoNor o parametrach: ˆ liniowy zakres pomiarowy: ±50g ˆ maksymalny zakres pomiarowy: ±1500g ˆ napięcie zasilania: max 10V DC lub AC ˆ rezystancja rezystorów mostka (0g): 5,5kΩ ˆ rezystancja rezystora diagnostycznego (0g): 15,5kΩ ˆ czułość (Vcc=5V): 0,25mV/g ˆ obudowa: SIL Czujnik ten sprawia najwięcej kłopotu z powodu konieczności pomiaru sygnału z przekątnej mostka pomiarowego. Konieczne było zatem dobudowanie układu wzmacniacza różnicowego. Został on wykonany w oparciu o dedykowany scalony wzmacniacz różnicowy AD830 [1]. Najważniejsze parametry wzmacniacza to: 10

12 ˆ pasmo przenoszenia: 85MHz ˆ pasmo płaskiej ch-ki: 15MHz ˆ napięcie niezrównoważenia: ±1,5mV ˆ CMRR: 100dB (dla DC) ˆ pojemność wejściowa: 2pF ˆ rezystancja wejściowa: 370kΩ ˆ napięcie zasilania: ±4..16,5V ˆ pobór prądu: max 17mA Schemat układu pomiarowego został wykonany w oparciu o dokumentację [1] i jest standardową aplikacją wzmacniacza różnicowego o wzmocnieniu równym 1. Jedyną modyfikacją było podciągnięcie napięcia wyjściowego o połowę wartości napięcia zasilania, tj. o 2,5V, celem dostosowania do przyjętego standardu zerowej wartości przyspieszenia przy napięciu wyjściowym równym 2,5V. W celu umożliwienia precyzyjnego ustawienia napięcia zrównoważenia mostka został dodany potencjometr regulujący Przetwornik analogowo-cyfrowy, układ klawiatury Na podstawie znanej literatury [3] [4] wywnioskowano, że spodziewane piki przyspieszeń przy zderzeniach małych robotów mobilnych będą trwały około 1ms. Zatem zgodnie z twierdzeniem Kotielnikowa-Shannona, należy próbkować sygnał co najmniej dwukrotnie częściej. Warunek ten przy współczesnych przetwornikach nie jest trudny do spełnienia. Pozostałe warunki doboru to m. in. rozdzielczość oraz magistrala komunikacyjna. Zdecydowano się na rozwiązanie oparte na magistrali SPI gdyż jest ona najbardziej popularna oraz umożliwia szybki transfer danych. Powyższe warunki z nadwyżką spełnia przetwornik analogowo-cyfrowy TLV2556 [11] firmy Texas Instruments. Charakteryzuje się on następującymi parametrami: ˆ ilość kanałów: 11 ˆ rozdzielczość: 12bit ˆ szybkość przetwarzania: 200ksps ˆ napięcie referencyjne (wbudowane): 2,048/4,096V ˆ magistrala komunikacyjna: SPI do 15MHz ˆ testy wewnętrzne: 3 rodzaje ˆ napięcie zasilania: 2,7..5,5V ˆ pobór prądu: max 3mA 11

13 Do kanałów przetwornika zostały podłączone akcelerometry poprzez dolnoprzepustowe filtry RC o częstotliwości granicznej 16kHz, mające za zadanie wytłumienie zakłóceń z ich wewnętrznych generatorów pomiarowych. Wartości elementów są zgodne z zaleceniami producenta akcelerometrów, firmy Freescale. Oprócz akceleromerów, zostało podłączone również wyjście wzmacniacza różnicowego czujnika piezorezystywnego oraz rezystor kontroli działania czujnika. Cztery kanały przetwornika zostały podciągnięte do szyny zasilania i podłączone poprzez microswitche do masy. Układ ten stanowi klawiaturę pozwalającą na poruszanie się po menu modułu testowego. Na płycie modułu występuje także pojedynczy przycisk podłączony bezpośrednio do pinu mikrokontrolera. Jego zastosowanie pozwoli na ignorowanie w trybie normalnej pracy stanu klawiatury - dopiero jego wciśnięcie będzie powodowało wejście w procedurę zczywania stanu klawiatury. Tabela podsumowuje logikę połączeń akcelerometrów do przetwornika analogowo-cyfrowego. Kanał Urządzenie Oś 0 MMA2202EG X 1 MMA2202EG Y 2 MMA1212D X 3 SA20 X 4 SA20 - diagnostyka n.d. 5 niepołączone n.d. 6 niepołączone n.d. 7 microswitch S5 n.d. 8 microswitch S4 n.d. 9 microswitch S2 n.d. 10 microswitch S3 n.d. Tabela 1: Logika połączeń kanałów przetwornika ADC Mikrokontroler i układy komunikacji Sercem modułu jest mikrokontroler AtMega8 [2] firmy Atmel. Jest to 8- bitowy mirkokontroler w architekturze RISC. Podstawowe parametry układu są następujące: ˆ architektura RISC ˆ 8kB pamięci programu FLASH ˆ 512kB pamięci EEPROM ˆ 1kB pamięci SRAM ˆ In System Programming ˆ napięcie zasilania: 4,5..5,5V Mikrokontroler AtMega8 został wybrany ze względu na swoją prostotę, w zupełności wystarczającą do obsługi takiej aplikacji pomiarowej. Jego niewątpliwą zaletą jest możliwość programowania 8kB wewnętrznej pamięci programu 12

14 typu FLASH bezpośrednio w module, poprzez interfejs ISP. Ponadto jest to bardzo popularny układ o niewygórowanej cenie i dużej dostępności. Zdecydowano, że komunikacja modułu ze światem zewnętrznym odbywać się będzie poprzez szeregowy interfejs UART 6. Na płycie wyprowadzone zostały odpowiednie piny mikrokontrolera, przez co możliwe jest podłączenie przejściówki na RS232, Bluetooth lub USB. Oprócz złącza szeregowego, moduł wyposażony został w złącze wyświetlacza alfanumerycznego LCD typu 2x16, o sterowniku zgodnym z HD Wyświetlacz został podłączony bezpośrednio do portu mikrokontrolera. Tabela opisuje użycie wyprowadzeń mikrokontrolera. Jest to zmodyfikowana wersja opisu, uwzględniająca korekcję błędu schematu ideowego oraz płytki, związanego z zamianą wyprowadzeń, opisanego szerzej w rozdziale 2.5. Pin Sygnał Kierunek Opis PB0 ST3 OUT Accelerometer 3 init self-test PB1 STA3 IN Accelerometer 3 indicate fault PB2 SS OUT Slave Select PB3 MOSI OUT SPI PB4 MISO IN SPI PB5 SCK OUT SPI PD0 RXD IN USART Receive PD1 TXT OUT USART Transmit PD2 INT0 IN Interrupt from Accelerometer PD3 INT1 IN Interrupt from microswitch S1 PD4 ADC4 OUT LCD DATA4 PD5 ADC5 OUT LCD DATA5 PD6 ADC6 OUT LCD DATA6 PD7 ADC7 OUT LCD DATA7 PC0 ADC0 OUT LCD Backlight enable PC1 ADC1 OUT LCD Reset PC2 ADC2 OUT LCD Read/Write PC3 ADC3 OUT LCD Enable PC4 ST1 OUT Accelerometer 1 init self-test PC5 ST2 OUT Accelerometer 2 init self-test ADC6 STA1 IN Accelerometer 1 indicate fault ADC7 STA2 IN Accelerometer 2 indicate fault Tabela 2: Opis wyprowadzeń portów - wersja poprawiona Układ zasilania Moduł testowy wymaga symetrycznego napięcia zasilającego ±5V. Napięcie asymetryczne 5V zasila wszystkie układy scalone i uzyskiwane jest ze stabilizatora 78L05 [10]. Czujnik piezorezystywny wraz ze wzmacniaczem różnicowym zasilany jest z napięcia symetrycznego, zatem konieczne było zbudowanie przetwornicy napięcia ujemnego w oparciu o układ ICL7662 [7]. Przetwornica ta, charakteryzuje się niestety małą wartością prądu wyjściowego, co ogranicza obszar jej zastosowań. Układ podświetlania wyświetlacza LCD zamontowanego 6 Universal Asynchronous Receiver and Transmitter 13

15 w module, ze względu na znaczny pobór prądu diod podświetlających i powodowanych przez to spadków napięć, zasilany jest z osobnego stabilizatora 5V. Ze względu na fakt, że stabilizator w podstawowej aplikacji dostarcza jedynie 100mA prądu, a standardowe wyświetlacze 2x16 pobierają ponad 140mA, konieczne było zastosowanie zewnętrznego tranzystora regulującego. Układ stabilizacji o zwiększonym prądzie został szczegółowo przedstawiony w dokumentacji [10] stabilizatora. 2.3 Projekt PCB Schemat ideowy jak i PCB 7 modułu testowego zostały wykonane przy użyciu narzędzia do wspomagania projektowania układów elektronicznych Eagle firmy CadSoft. Narzędzie to pozwala na kontrolę poprawności schematu pod względem elektrycznym oraz wspomaga rysowanie płytki drukowanej m. in. przez kontrolę wykonania ze standardem produkcyjnym. Płytka drukowana ze względu na stopień skomplikowania została wykonana jako dwuwarstwowa. Warstwa dolna, będąca tak naprawdę warstwą górną docelowego urządzenia, zawiera wyświetlacz LCD, klawiaturę, przycisk menu, diody zabezpieczające, kwarc oraz złącza komunikacyjne, programowania i zasilania. Warstwa góra zawiera pozostałe elementy. Wolne pola na płytce zostały wypełnione masą, co ma na celu spełnienie kryteriów kompatybilności elektromagnetycznej EMC 8. Projekt warstwy dolnej PCB przedstawia rysunek 6, natomiast warstwy górnej rysunek 7. 7 Printed Circuit Board 8 ElectroMagnetic Compatibility Rysunek 6: Projekt PCB - warstwa dolna 14

16 Rysunek 7: Projekt PCB - warstwa górna Schematy montażowe przedstawiają rysunki 8 i 9. Rysunek 8: Schemat montażowy - warstwa dolna 15

17 Rysunek 9: Schemat montażowy - warstwa górna Wizualizacje płytek przedstawiają rysunki 10 i 11. Do ich wykonania [8] wykorzystano zestaw skryptów Eagle3D i program do renderowania Pov-Ray. Rysunek 10: Wizualizacja PCB - warstwa dolna 16

18 Rysunek 11: Wizualizacja PCB - warstwa górna 2.4 Wykonanie modułu testowego Moduł testowy wykonano na dwustronnym laminacie epoksydowo-szklanym metodą termotransferu. Po nałożeniu maski, laminat wytrawiono w środku B327 a następnie, po wywierceniu wszystkich otworów, pocynowano chemicznie preparatem En Tin. Fotografia 12 przedstawia górną warstwę płytki, gotową do lutowania. Rysunek 12: PCB gotowe do lutowania - wartstwa górna Etap lutowania elementów rozpoczął się od żmudnego montażu sporej ilości 17

19 przelotek. Oprócz tych sygnałowych, zostało zaprojektowane kilkanaście dodatkowych przelotek łączących pola masy obu stron płytki. Montaż pozostałych elementów był klasyczny - począwszy od części najmniejszych, tj. rezystorów i kondensatorów w obudowach 0805, poprzez układy scalone, na elementach przewlekanych skończywszy. Na koniec wlutowane zostały gniazda. 2.5 Uruchomienie modułu testowego Uruchomienie modułu rozpoczęto od sprawdzenia układu zasilania. W fazie montażowej, celowo pominięto montaż przelotek dostarczających zasilanie 5V do pozostałej części układu. Po poprawieniu błędu związanego z brakiem połączenia wyprowadzenia LV układu przetwornicy napięcia ujemnego (pin 6 układu US1 powinien być zwarty do masy) oraz odwrotnym montażu kondensatora C27 (na schemacie jest zamieniona polaryzacja) oraz sprawdzeniu poprawności działania, wlutowano pozostałe przelotki. Dalsze uruchomienie obejmowało sprawdzenie obecności zasilania w poszczególnych punktach układu. Pojawił się problem związany z przetwornicą napięcia ujemnego - dawała za niskie napięcie, w granicach -2,6V. Zdiagnozowano, że przetwornica jest przeciążona przez mostek pomiarowy - problemu tego nie zauważono na etapie projektowania schematu. Tymczasowo problem został rozwiązany poprzez ograniczenie prądu mostka rezystorami, co niestety wpływa na ograniczenie zakresu pomiarowego czujnika piezorezystywnego SA20. W układzie docelowym należy przeprojektować tą część układu. Ostatnim krokiem uruchamiania była komunikacja z mikrokontrolerem. Rozpoczęto od ustawienia fusebitów mikrokontrolera AtMega8 na obsługę zewnętrznego kwarcu 16MHz. Następnie napisano prosty program komunikacyjny po magistrali szeregowej. Podczas programowania zauważono, że popełniony został błąd koncepcyjny przy projektowaniu schematu. Nie uwzględniono, że mikrokontroler AtMega8 nie posiada pełnego portu C wskutek czego nie możliwa byłaby komunikacja z wyświetlaczem LCD. Błąd ten został poprawiony poprzez zamianę starszej części wyprowadzeń portu D z odpowiednimi pinami portu C. Wyjścia statusowe akcelerometrów zostały podłączone do dwóch dodatkowych pinów przetwornika ADC wbudowanego w mikrokontroler AtMega8, co nieznacznie skomplikuje odczyt wartości. Ostateczna wersja rozkładu wyprowadzeń opisana jest w rozdziale w tabeli Błąd na płytce drukowanej został poprawiony mostkami z kynaru, niemniej w ostatecznej wersji płyty testowej należy przeprojektować układ ścieżek. Ostatnim etapem programowania była komunikacja po magistrali SPI z przetwornikiem analogowo-cyfrowym. Uruchomienie wyświetlacza nie zostało przeprowadzone, gdyż przesyłka z zamówionym elementem nie doszła na czas. Fotografie zmontowanego układu (bez wyświetlacza) przedstawiają fotografie 13 i

20 Rysunek 13: Fotografia modułu - warstwa dolna Rysunek 14: Fotografia modułu - warstwa górna 19

21 3 Walidacja i testowanie układu sensorycznego 3.1 Moduł pomiarowy Detekcja zderzeń w robotach mobilnych wymaga nietypowego podejścia do akwizycji danych z czujników akcelerometrycznych. W typowych zastosowaniach akcelerometrów próbkowanie sygnału odbywa się stosunkowo rzadko. Do detekcji zderzeń konieczne jest wykrywanie stosunkowo krótkich szpilek sygnałów o dużych amplitudach, stąd zgodnie z twierdzeniem Kotielnikowa-Shannona, konieczne jest próbkowanie co najmniej dwukrotnie częstsze niż okres spodziewanej akceleracji. 3.2 Pomiary Moduł pomiarowy pełni rolę platformy z zestawem czujników akcelerometrycznych, mikrokontrolerem przetwarzającym sygnał z zewnętrznego przetwornika analogowo-cyfrowego oraz klawiatury i wyświetlacza. Analogowe dane z czujników akcelerometrycznych są przetwarzane w przetworniku analogowocyfrowym na postać cyfrową, a następnie transmitowane do komputera poprzez łącze szeregowe. Z powodu dostępności jedynie szczątkowych danych o możliwych spodziewanych czasach trwania zderzenia robota z przeszkodami, na podstawie analizy wykresów przedstawionych w publikacjach [3] [4], zdecydowano się na próbkowanie sygnału z akcelerometrów z częstotliwością 1kHz, tj. co 1ms. Rozważano również częstsze próbkowanie, niemniej z powodów dalej opisanych chwilowo z niego zrezygnowano Komunikacja Pomiar w przetworniku odbywa się z rozdzielczością 8-bit. Wartość ta została wstępnie wybrana ze względu na znaczące ułatwienie implementacji algorytmu pomiarowego - wynik z pojedynczego czujnika jest liczbą jednobajtową. Przetwornik komunikuje się z mikrokontrolerem poprzez magistralę SPI na częstotliwości 4MHz. Częstotliwość ta została wybrana nieco na wyrost w stosunku do 8-bitowej rozdzielczości i pomiarze z 4-rech kanałów przetwornika. Najsłabszym punktem całego systemu pomiarowego jest transmisja szeregowa moduł - komputer. Wykonując pomiar co 1ms na 4-rech kanałach przetwornika o rozdzielczości 8-bitowej uzyskuje się 4000 bajtów danych na sekundę czyli bitów/s. Dodając do każdej 4-bajtowej ramki bajt kontrolny, potrzebna jest przepustowość łącza rzędu 40kbps. Częstotliwość oscylatora mikrokontrolera równa 16MHz pozwala na wybór jedynie niektórych ze standardowych szybkości transferu. Największa przy której udało się komunikować, 115,200kbps, pozwala na transmisję maksymalnie bajtowych ramek na sekundę. Zatem możliwe jest próbkowanie czujników co pół milisekundy, przy 8-bitowej rozdzielczości. Chcąc stosować maksymalną, 12-bitową rozdzielczość przetwornika, przy czterech kanałach i 8-bitowej sumie kontrolnej, ramka ma długość 7-dmiu bajtów, co teoretycznie powinno się jeszcze udać przesłać przez łącze (wymagana przepustowość w tym wypadku wynosi 106kbps). Podsumowując, przy obecnie wybranej szybkości transferu można jeszcze zwiększyć o połowę częstotliwość próbkowania. 20