Marcin Koniak 1, Andrzej Czerepicki 2 Politechnika Warszawska, Wydział Transportu Piotr Jaskowski 3, Sebastian Wiśniewski 4, Anna Wytrykowska 5 Politechnika Warszawska, Koło Naukowe Elektrotechniki w Systemach Transportowych Modyfikacje pojazdu elektrycznego umożliwiające zewnętrzne bezprzewodowe sterowanie, na przykładzie gokarta elektrycznego 1. WSTĘP Pojazdy elektryczne są obecnie najmniej liczną grupą pojazdów samochodowych w Polsce. Zastosowane w nich rozwiązania elektryczne i elektroniczne pozwalają na pokonywanie niewielkich odległości, najczęściej w ruchu miejskim. Popularyzacja samochodów elektrycznych może znacząco wpłynąć na obniżenie poziomu hałasu oraz zmniejszenie zanieczyszczeń w dużych miastach. Autorzy w artykule proponują rozwiązania techniczne pozwalające przystosować pojazd do zewnętrznego sterowania. Jest to kontynuacja realizowanego przez Koła Naukowe Wydziału Transportu w ramach Puli na Projekty Naukowe Rady Kół Naukowych Politechniki Warszawskiej projektu pt: Konstrukcja pojazdu elektrycznego gokart dostosowanego do współpracy z zewnętrznym źródłem sterowania. Głównymi wymaganiami stawianymi układom sterowania w tego typu pojazdach jest niezawodność, zapewniająca bezpieczeństwo ruchu. Bezpieczeństwo to ściśle wiąże się z zapewnieniem niezawodności transmisji danych sterujących i pomiarowych. Planowane w ramach projektu modyfikacje mechaniczne układu kierowniczego, napędowego i hamulcowego pojazdu pozwalają nie ingerować w główną konstrukcję gokarta. Wybór elementów zapewniających realizacje funkcji wymienionych układów został poprzedzony analizą i niezbędnymi badaniami. Weryfikacji przyjętych modyfikacji wymaga stworzenia modelu 3D pojazdu wraz ze zmianami. Model taki pełni również źródło parametrów technicznych i geometrycznych dla elementów, które muszą zostać dorobione. W obecnej fazie projektu pojazd jest gotowy do przystosowania bezprzewodowego sterowania, konieczna jest także implementacja systemu informującego o aktualnym stanie pojazdu. Dlatego niezbędne okazało się zastosowanie systemu telemetrii. Systemy telemetryczne obecnie przechodzą gwałtowny rozwój znajdując zastosowanie w różnych dziedzinach techniki. Nadzór telemetryczny nad parametrami pojazdu znany jest np. z zastosowań w wyścigach samochodowych, czy rozwiązań transportowych w aplikacjach logistycznych monitorujących ruch pojazdów. Systemy telemetryczne dzielą się na przewodowe i bezprzewodowe. W przypadku rozwiązań telemetrii bezprzewodowej możliwe jest zastosowanie m.in. struktury sieci komórkowej lub radiomodemów. Projektowany system będzie pozwalał zarejestrować, przechować i przekazać dane dotyczące kluczowych parametrów związanych z eksploatacją pojazdu elektrycznego. 1 koniakm@wt.pw.edu.pl 2 a.czerepicki@wt.pw.edu.pl 3 piotr.jaskowski0@gmail.com 4 swisniewski6192@gmail.com 5 wytrykowska.anna@gmail.com Logistyka 4/2015 467
2. SYSTEM TELEMETRII ZAPROJEKTOWANY PRZEZ KOŁO NAUKOWE KNEST 2.1. Zadania systemu telemetrii Projektowany system jest dedykowany do pojazdu elektrycznego typu gokart. Głównym zadaniem systemu jest dokonanie pomiaru parametrów eksploatacyjnych podczas ruchu pojazdu w kategoriach: zasilania (napięcie na akumulatorze oraz prąd pobierany przez układ napędowy), sterowania (bieżąca prędkość, przyspieszenie/opóźnienie pojazdu), danych o temperaturze otoczenia i układu napędowego, lokalizacyjnych (współrzędnych GPS). Przekazanie informacji do odbiorcy drogą radiową wymaga przeprowadzenia wstępnej obróbki i konsolidacji pozyskanych danych w pakiety. Monitorowanie stanu pojazdu ma zapewnić odczyt przesłanej informacji po stronie odbiorcy, jej archiwizację oraz wizualizację. Koncepcję działania systemu przedstawia rys. 1. czujniki zamontowane w gokarcie zbieranie danych przesył danych radiomodem z gokarta odbiór danych radiomodem przetwarzanie danych przez komputer PC Rys. 1. Schemat pracy systemu telemetrycznego 2.2. Koncepcja działania systemu wizualizacja danych przez aplikację Wbudowane systemy informatyczne, do jakich należy odnieść projektowany system, coraz częściej są stosowane na całym świecie, także w pojazdach samochodowych [1]. W omawianym projekcie jest to możliwe ze względu na dostępność zestawów mikroprocesorowych przeznaczonych do szybkiego prototypowania. Pozwalają one na budowę rozwiązań sprzętowych w połączeniu z zaawansowanymi technikami programowania, które oferują współczesne języki programowania wysokiego poziomu. Do takich rozwiązań można zaliczyć platformę Arduino, na bazie której będzie zaprojektowany system telemetrii parametrów ruchu pojazdu elektrycznego. Platforma mikroprocesorowa Arduino charakteryzuje się dość zaawansowanymi możliwościami z jednej strony, a niskim zapotrzebowaniem na energię oraz kompaktową formą z drugiej. Istotną rolę odgrywają również powszechna dostępność komponentów platformy oraz ich relatywnie niska cena w stosunku do rozwiązań profesjonalnych. Kolejnym atutem takiego rozwiązania jest możliwość łatwej integracji układów pomiarowych takich jak czujniki, przełączniki etc. z mikrokontrolerem. W układzie telemetrycznym mierzone będą następujące parametry: napięcie oraz prąd akumulatorów gokarta, temperatura silnika, bieżące współrzędne położenia z systemu GPS, przyspieszenie lub opóźnienie pojazdu. Układem zbierającym dane będzie moduł Arduino Mega z mikrokontrolerem posiadającym 54 złącza cyfrowe oraz 16 wejść analogowych. Zaletą układu jest powszechna dostępność bibliotek do obsługi 468 Logistyka 4/2015
popularnych układów i czujników. Kluczowym elementem systemu jest przesył danych z gokarta do komputera zdalnego celem wizualizacji wartości parametrów przez aplikację. Do transmisji danych zostanie wykorzystany radiomodem ARF868 LP, który charakteryzuje się zasięgiem do 1 km oraz pracą w zakresie częstotliwości 868-870 MHz, co pozwala na korzystanie z bezlicencyjnego pasma. Model obsługuje protokół RS232/485. Odbiór danych zapewni drugi radiomodem podłączony do komputera klasy PC wykorzystanym w celu przetwarzania uzyskanych danych. Wszystkie informacje otrzymane z pojazdu będą wizualizowane przez aplikację typu desktop z interfejsem graficznym. 3. ANALIZA KONSTRUKCJI MECHANICZNEJ I ELEKTRYCZNEJ GOKARTA 3.1. Wybór pojazdu elektrycznego Gokart elektryczny jest czterokołowym, jednoosobowym pojazdem o możliwie uproszczonej konstrukcji. Konstrukcja gokarta składa się z ramy, kół, siedzenia, układu hamulcowego, układu kierowniczego oraz zespołu napędowego. Pojazd zasilany jest 4 akumulatorami o napięciu 12 V. Wybór gokarta elektrycznego podyktowany był następującymi czynnikami: ekologiczny i ekonomiczny napęd elektryczny, prostota konstrukcji, łatwość modyfikacji mechanicznej pojazdu, dostępność podstawowych części zamiennych. Gokart elektryczny posłuży jako platforma testowa planowanych modyfikacji mechanicznych, elektrycznych oraz układu telemetrii. Na rys. 2 przedstawiono fotografię wybranego pojazdu. Rys. 2 Demonstrator technologii - gokart elektryczny 3.2. Układ kierowniczy W gokartach za zmianę kierunku ruchu odpowiadają koła osi przedniej pojazdu. Układ kierowniczy powinien zapewniać dobrą zwrotność, kierowalność oraz stateczność ruchu pojazdu. Schemat układu Logistyka 4/2015 469
kierowniczego gokarta w odróżnieniu od układu kierowniczego samochodu nie posiada przekładni kierowniczej i składa się z koła kierownicy, wałka kierownicy, drążków kierowniczych, ramion zwrotnic. Schemat układu kierowniczego przedstawia rys. 3. Mechanizm zwrotniczy służy do skręcania kół kierowanych poprzez przekazywanie na niego ruchów koła kierownicy. Obrót koła kierownicy powoduje ruch drążków kierowniczych i obraca ramiona zwrotnic. Wraz ze zmianą położenia zwrotnic, koła przednie zmieniają swe ustawienia. Rys. 3. Elementy układu kierowniczego gokarta elektrycznego w programie AutoCad 3.3. Układ hamulcowy W pojazdach stosuje się hamulce bębnowe oraz hamulce tarczowe [2]. Opisywany w artykule gokart elektryczny wyposażony jest w hamulce tarczowe. Układ ten składa się z pompy hamulcowej, pedału hamulca, przewodów hamulcowych, zacisku oraz tarczy. Schemat układu kierowniczego przedstawia rys. 4. Rys. 4. Elementy układu hamulcowego gokarta elektrycznego w programie AutoCad Zasada działania hamulca tarczowego polega na dociskaniu klocków ciernych do wirującej tarczy hamulcowej. Tarcza hamulcowa zamocowana jest współosiowo do osi kół. Pompa hamulcowa połączona jest z pedałem hamulca. Siła nacisku na pedał przekazywana jest na tłok pompy hamulcowej, która tłoczy płyn hamulcowy przez przewody hamulcowe do mechanizmów hamujących. Ciśnienie wywierane przez 470 Logistyka 4/2015
płyn hamulcowy powoduje zaciśnięcie zacisków. Puszczenie pedałów hamulca powoduje cofnięcie zacisków, czyli zakończenie hamowania. 3.4. Zespół napędowy Układ pojazdu przedstawionego w artykule składa się z osi zamocowanej do ramy, silnika oraz układu przeniesienia napędu. Układ przeniesienia napędu może być rozwiązany za pomocą łańcucha lub pasa zębatego. Ze względów bezpieczeństwa lepszy jest pas zębaty, ponieważ jego masa jest mniejsza niż masa łańcucha i w wypadku zerwania będzie stanowił mniejsze zagrożenie dla kierowcy. Schemat układu przeniesienie napędu przedstawia rys. 5. Rys. 5. Elementy układu napędowego gokarta elektrycznego w programie AutoCad Układ zasilający tworzą 4 akumulatory o napięciu 12 V. Dostarczają one energię elektryczną do silnika[3]. Silnik elektryczny przekształca dostarczoną energię elektryczną w energię mechaniczną. Układ przeniesienia napędu dostarcza energię mechaniczną do kół jezdnych. W gokartach rolę kół napędzanych spełniają koła osi tylnej pojazdu. 4. PROPOZYCJA MODYFIKACJI MECHANICZNYCH GOKARTA Modyfikacja układu kierowniczego pojazdu wymaga demontażu koła kierownicy i zastąpienia go serwomechanizmem wraz z przekładnią. Wał koła kierownicy wymaga zmian pozwalających na zabezpieczenie serwonapędu. W tym celu zaprojektowane zostaną specjalne wsporniki. Układ kierowniczy zbudowany zostanie z silnika prądu stałego, zasilanego napięciem 48V, oraz współpracującej z nim przekładni planetarnej o przełożeniu 100:1. Wstępnego wyboru serwonapędu dokonano na podstawie pomiarów momentu skrętu kierownicy oraz maksymalnego kąta skrętu kół. Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli 1 oraz tabeli 2. Logistyka 4/2015 471
Tabela 1. Wyniki pomiarów momentu skrętu kierownicy gokarta elektrycznego na powierzchni asfaltowej, dla promienia działania siły =19,5 [cm] Lp. Strona Obciążenie: Siła [N] Wartość momentu [Nm] 1. Prawa akumulatory 156,96 30,61 2. Prawa Akumulatory 156,96 30,61 3. Lewa Akumulator 176,58 34,43 4. Lewa Akumulator 186,39 36,35 5. Prawa Akumulatory + kierowca 166,77 32,52 6. Prawa Akumulatory + kierowca 176,58 34,43 7. Lewa Akumulatory + kierowca 196,2 38,26 8. Lewa Akumulatory + kierowca 196,2 38,26 Tabela 2. Wyniki pomiarów momentu skrętu kierownicy gokarta elektrycznego na płytkach podłogowych w laboratorium Wydziału Transportu, dla promienia działania siły = 19,5 [cm] Lp. Strona Obciążenie: Siła [N] Wartość momentu [Nm] 1. Prawa akumulatory 137,34 26,78 2. Prawa Akumulatory 147,15 28,69 3. Lewa Akumulator 143,226 27,93 4. Lewa Akumulator 140,283 27,36 5. Prawa Akumulatory + kierowca 122,625 28,69 6. Prawa Akumulatory + kierowca 132,435 24,87 7. Lewa Akumulatory + kierowca 161,865 31,56 8. Lewa Akumulatory + kierowca 166,77 32,52 Zaproponowany układ pozwala osiągnąć wyjściowy moment obrotowy 32 Nm oraz prędkość obrotową 30 obr/min. Maksymalny kąt skrętu kół wynosi 80. Wybrany serwonapęd wyposażony jest w enkoder, który dostarcza informacji o aktualnym położeniu. Wykrycie skrajnego położenia kół umożliwi zatrzymanie silnika napędzającego układ sterowniczy. Modyfikacja układu hamulcowego wymaga użycia siłownika liniowego. Siłownik działa z siłą 120 N pozwalającą na awaryjne zatrzymanie pojazdu. Zaletą tego rozwiązania jest szybkość działania, a co za tym idzie bezpieczeństwo. Zatrzymanie siłownika w wybranej pozycji nie wymaga ciągłego zasilania. Rozwiązanie to zwiększa energooszczędność gokarta. Przystosowanie układu napędowego do zdalnego sterowania nie wymaga ingerencji w budowę mechaniczną gokarta. Elektryczny sygnał sterujący będzie przesyłany na wejście analogowe sterownika silnika zastępując potencjometr pedału gazu. Rozwiązanie to pozwoli na pominięcie etapu sterowania pedałem gazu, a układ napędowy będzie realizowany analogicznie do obecnego rozwiązania. Rys. 7 ukazuje sposób montażu wybranych elementów. 472 Logistyka 4/2015
Rys. 7. Propozycja mocowania urządzeń sterujących modyfikowanych układów hamulcowego i kierowniczego 5. WNIOSKI Autorzy przedstawili aktualny stan prac związany z przystosowaniem pojazdu typu gokart do zdalnego sterowania. Część czynności związanych z projektowaniem zmian układu napędowego, hamulcowego i kierowniczego została już wykonana Obecnie realizowany jest etap w czasie którego opracowywany jest system telemetrii. Modyfikację pojazdu można podzielić na mechaniczne obejmujące układ kierowniczy i hamulcowy oraz modyfikację elektryczne, których przedmiotem jest układ napędowy pojazdu. Przed zaprojektowaniem zmian układu kierowniczego konieczne było wykonanie pomiarów określających wartości sił powodujących zmianę położenia kół. Na podstawie pomiarów (tab 1., tab 2.) przyjęto za wystarczający serwomechanizm o momencie obrotowy 32Nm, dodatkowym wyposażony w enkoder pozycji. Praca układu hamulcowego realizowana będzie za pośrednictwem siłownika liniowego zapewniając bezpieczną i precyzyjną regulację ruchu. Celem przystosowania układu napędowego do bezprzewodowego sterowania wykonana zostanie modyfikacja elektryczna polegającą na zastąpieniu naciśnięcia pedału gazu sygnałem sterującym wysyłanym bezpośrednio do sterownika silnika gokarta. Kontynuacją projektu jest opracowanie systemu zapewniającego sprzężenie zwrotne dla układu sterowania. Udaję się to realizować dzięki przyznanemu Grantowi Rektorskiemu dla Koła Naukowego Elektrotechniki w Systemach Transportowych. Celem grantu było stworzenie prototypu urządzenia do pomiaru i rejestracji wybranych parametrów ruchu pojazdu elektrycznego, oraz opracowanie oprogramowania do przekazywania, składowania oraz wizualizacji zarejestrowanych danych. Wykonany projekt może być podstawą do prowadzenia dalszych prac badawczych w zakresie rozszerzenia liczby monitorowanych parametrów, analizy wielokryterialnej zarejestrowanych danych oraz dostosowania urządzenia do potrzeb różnych kategorii pojazdów elektrycznych. Budowa takiego systemu pozwoli studentom zapoznać się z możliwościami współczesnych platform prototypowania na bazie mikrokontrolerów oraz specyfiką ich zastosowania w transporcie. Testowanie systemu odbędzie się na stanowiskach laboratoryjnych z wykorzystaniem aparatury badawczej, jaką dysponuje Wydział Transportu. Planowane jest również testowanie rozwiązania w środowisku rzeczywistym. Streszczenie W artykule zaprezentowano efekty projektu realizowanego przez Koła Naukowe Wydziału Transportu. Tematyka projektu obejmowała koncepcję modyfikacji pojazdu elektrycznego typu gokart w celu dostosowania do współpracy z zewnętrznym źródłem sterowania. Autorzy przedstawili budowę oraz rozwiązania techniczne zastosowane w omawianym pojeździe. Analizie poddane zostały zaproponowane modyfikacje związane z telemetrią i zmianami mechanicznymi gokarta elektrycznego. W dalszej części artykułu przybliżono plany rozwoju projektu. Słowa kluczowe: gokart elektryczny, telemetria, zdalne sterowanie. Logistyka 4/2015 473
Electric vehicle modifications to allow the external wireless control, for example of electric go-kart Abstract The article presents effects of project realized by the Student Scientific Groups Faculty of Transport. Theme of the project included the concept of modification of an electrical vehicle as go-kart to adapt to the cooperation with an external source of control. The authors present the construction and technical solutions applied in this vehicle. Analysis included the mechanical modifications proposed of electrical go-kart and additional telemetry system. The later in the article was brought closer the project plans for development. Key words: electric go-kart, telemetry, remote control. LITERATURA [1] Sangiovanni-Vincentelli, A.; Di Natale, M., "Embedded System Design for Automotive Applications," Computer, vol.40, no.10, pp.42,51, Oct. 2007. [2] Reński A. Budowa samochodów, układy hamulcowe i kierownicze oraz zawieszenia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2004. [3] Neudorfer, H., "Comparison of three different electric powertrains for the use in high performance Electric Go- Kart," Electrical Machines and Power Electronics, 2007. ACEMP '07. International Aegean Conference on, vol., no., pp.21,26, 10-12 Sept. 2007. 474 Logistyka 4/2015