Sensoryka i układy pomiarowe łazika marsjańskiego Scorpio IV http://scorpio.pwr.wroc.pl/ Konrad Cop KN OFF-ROAD
Ogólnie o łaziku Mobilna platforma badawczo-eksploatacyjna Przygotowywany na zawody URC i ERC Pojazd wsparcia astronauty w niebezpiecznych zadaniach Sterowany bezprzewodowo Ma być w stanie wykonać wszystkie operacje które wykonałby człowiek W prezentacji skupię się w głównej mierze na ukazaniu różnorodności czujników z zaprezentowaniem przykładów. Dodatkowo wspomnę o systemach sterowania i komunikacji.
Sensoryka Scorpio stanowi złożony układ mechatroniczny wyposażony w szereg czujników. Chwytak Enkoder Wyłaczniki krańcowe Czujniki pradu i napięcia LOGAn Matryca CCD Manipulator Enkodery Wyłączniki krańcowe Wiertło Czujnik prądu Wyłączniki krańcowe Stacja badawcza czujniki Ciśnienia Temperatury Wysokości Wilgotności Silniki BLDC napędzające koła Sterownik silników Ponadto: Układ sterowania System wizyjny Transmisja bezprzewodowa Interfejs komunikacyjny pomiędzy podzespołami
Wszystko zebrane w jedno Uproszczony schemat układów sterowania łazikiem
Układy sterujące Nadrzędną jednostką sterującą jest komputer pokładowy Raspberry Pi. Pełni rolę rdzenia logicznego układu, steruje zarówno podrzędnymi sterownikami jak i elementami wykonawczymi. Komunikacja między poszczególnymi modułami odbywa się w standardzie RS-485 Część modułów np. Stacja badawcza Sterowniki silników Pomiary wielkości elektrycznych Wymaga zastosowania pośrednich sterowników wykorzystano 8-bitowe mikrokontrolery ATmega 168 i ATmega328
Wykorzystanie enkoderów na przykładzie manipulatora Dla prawidłowego pozycjonowania manipulatora oraz zapewnienia sprzężenia zwrotnego zastosowano enkodery inkrementalne typu MHK40-8-2000-1224-BZ-K. Zasada działania w manipulatorze: Enkoder znajdujący się na osi zmienia stan podczas wsuwania i wysuwania siłownika co jest jednoznaczne z obrotem wokół konkretnej osi.
Sterowanie manipulatorem Manipulator składa się z 3 siłowników (silnik ze śrubą toczną) i 2 silników. Do obsługi tych 5 napędów potrzeba mostków oraz nadrzędnego układu Mostki H do obsługi silników mod. VNH3SP30 Układ nadrzędny: 32-bitowy mikrokontroler STM32F1 03VBT6
Wyłączniki krańcowe i pomiar prądu na przykładzie wiertła Silnik z przekładnią Wyłączniki krańcowe Służą do pozycjonowania położenia części wiercącej. Skok wiertła 150 Wyłączniki krańcowe Czujnik pomiaru prądu Zabezpieczenie przekładni przed uszkodzeniem w przypadku natrafienia na twarde podłoże bezpiecznik elektroniczny mierzący prąd obciążenia silnika, w przypadku przeciążenia następuje odcięcie zasilania Zasada działania efekt Halla, na wyjściu napięcie analogowe 0-5 V
Napęd silniki bezszczotkowe W łaziku zastosowano silniki BLDC (BrushLess Direct-Current), które pozwalają na eliminację wad silników konwencjonalnych takich jak: zużycie i iskrzenie szczotek i komutatora. Zasada działania: Schemat układu sterowania Stojan to uzwojenia połączone w gwiazdę, rozmieszczone co 120 Wirnik stanowi magnes trwały (l.biegunów = wielokrotność 2) Wprawienie w ruch wymaga podania napięcia w takiej konfiguracji aby powstało pole magnetyczne obracające wirnik Cykliczność podawania napięcia realizowana przez sprzężenie zwrotne za pomocą enkodera/czujników Halla Przebieg napięcia
Napęd silniki bezszczotkowe W Scorpio IV wykorzystano silniki Goldenmotor MBG36F o mocy 250W, ze zintegrowanymi czujnikami Halla. Obsługa silników odbywa się za pomocą dedykowanych sterowników. Wyposażonych w interfejs obsługujący zarówno czujniki Halla jak i enkodery inkrementalne. Przekrój koła z silnikiem
Układ wizyjny Oczami łazika jest układ kamer pozwalających na wizualizację na pulpicie operatora widoku wokół łazika. Przesył sygnału analogowy 1.2 GHz Główna kamera: Kamera szerokokątna typu u-cam585 Obraz analogowy (system PAL) Kąt widzenia 170 Kamera kopułkowa: Pokrycie obrazu - półkula Obraz analogowy (system PAL)
Transmisja bezprzewodowa Transmisja komend odbywa się w sposób bezprzewodowy przy wykorzystaniu modułu radiowego XBee Częstotliwość operacyjna 2.4 GHz Wbudowana antena nadawcza/odbiorcza Układ składa się z dwóch modułów Komunikacja poprzez komendy AT oraz API Funkcjonalność połączenia z komputerem lub mikrokontrolerem
LOGAn Life Obtaining Ground Analyser Autonomiczny układ pozwalający na przeprowadzenie badania pod kątem występowania życia (detekcja protein), w terenie na łaziku. Wyposażony w próbki z NaOH w które wprowadzana będzie próbka poddana analizie Analiza będzie przeprowadzana wizualnie w świetle widzialnym za pomocą matrycy CCD (Charge Coupled Device)
Stacja badawcza Stacja badawcza to układ czujników do pomiaru warunków zewnętrznych panujących wokół łazika. Jest wyposażona w zintegrowane czujniki: Ciśnienia, wysokości, temperatury Mod. MPL3115A2 Przetwornik pomiarowy typu MEMS Cechy wyróżniające: Bardzo wysoka rozdzielczość: 20bit dla ciśnienia i wysokosci, 12bit dla temperatury Dokładność pomiarów rzędu 1Pa, 0.3m Zasilanie w zakresie 1.9-3.6 V ale odporny na szoki (przeżył doświadczalne 5V) Magistrala danych I 2 C
Stacja badawcza c.d. Wilgotności i temperatury Mod. SHT21 Ponieważ nie było na laboratorium, krótko o zasadzie działania: Budowa przypominająca kondensator. Wkładka kondensatora z materiały higroskopijnego. Zmiana wilgotności = zmiana pojemności Cechy wyróżniające: Rozdzielczość: 12bit dla wilgotności, 14bit dla temperatury Dokładność pomiarów rzędu 0.1%RH, 0.01 C Magistrala danych I 2 C Ciekawostka: wymiary 3x3
Proszę trzymać kciuki na ERC 5-7 września 2014
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
Literatura [1] Napędy mechatroniczne, J.Kosmol [2] Sensory i przetworniki pomiarowe, J.Zakrzewski, M.Kampik [3] Sensors for Mechatronics, Paul P. L. Regtien [4] Datasheet-y poszczególnych układów [5] http://elektronikab2b.pl/ [6] Dokumentacja techniczna Scorpio IV