241 - Pomiary Automatyka Robotyka

nauka
Projekt techniczny i wykonanie dwukołowego
balansującego pojazdu mobilnego
Patryk Pipczyński, Robert Piotrowski
Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Politechnika Gdańska
Streszczenie: W ostatnich latach obserwuje się dynamiczny
rozwój pojazdów mobilnych, które znajdują coraz szersze zastosowanie w życiu codziennym i w różnych gałęziach przemysłu.
W artykule przedstawiono projekt, założenia i strukturę dwukołowego balansującego pojazdu mobilnego. Następnie szczegółowo
opisano jego konstrukcję mechaniczną i elektroniczną włącznie
z urządzeniami pomiarowymi. Poszczególne elementy składowe
zaprojektowano, dobrano i połączono tworząc spójną całość.
Słowa kluczowe: pojazd mobilny, projektowanie, robot mobilny,
robotyka
1. Wprowadzenie
Dział robotów mobilnych należy do najprężniej rozwijających się sektorów przemysłu. Roboty te są stosowane
zarówno w pracach badawczych, np. [1, 15, 18], jak również w różnych gałęziach przemysłu, np. [4, 13]. W życiu
codziennym zaobserwować można niewielką popularność
robotów mobilnych, mimo to większość rozwiązań technicznych cieszy się społecznym uznaniem, co przyczynia
się do rozwoju tej dziedziny, np. [16]. W dobie ciągłego
pośpiechu wszelkie formy transportu stają się koniecznością. Niestety zatłoczone ulice uniemożliwiają sprawne
przemieszczanie się szczególnie na krótkich odcinkach.
Ponadto często istnieje potrzeba szybkiego poruszania się
w budynkach o ciasnej architekturze, wśród tłumu, gdzie
konieczna jest interakcja z otoczeniem. Klasyczne formy
pojazdów poprzez swoje gabaryty często utrudniają poruszanie. Okazuje się, że bardzo dobrym rozwiązaniem
jest pojazd, którego wymiary niewiele przekraczają wymiary stojącego człowieka. Najpopularniejszym tego typu
urządzeniem jest „Segway HT” [17]. Jego konstrukcja
znacznie ułatwia poruszanie się zarówno w budynkach
jak i na otwartej przestrzeni. Jest to nowoczesny, ekologiczny środek transportu.
W artykule przedstawiono projekt oraz sposób wykonania pojazdu odbiegającego od klasycznej formy pojazdów mobilnych. Główna różnica polega na umiejscowieniu
napędów oraz sposobie poruszania się. W rozdziale drugim
opisano założenia i strukturę pojazdu. Następnie szczegółowo przedstawiono mechaniczne i elektroniczne części
składowe balansującego pojazdu mobilnego.
sposobem kierowania. Ponadto powinna ona wytrzymać
obciążenia związane z pracą napędów oraz masą
człowieka, przede wszystkim podczas jazdy po nierównym
terenie. Rozmiary pojazdu są wymuszone wielkością
elementów składowych, oraz ograniczone wymiarami
stojącego człowieka. Rama pojazdu powinna zawierać
wszelkie części związane z umiejscowieniem wszystkich
elementów składowych oraz potrzebnego osprzętu.
Strukturę
kostrukcji
elektronicznej
pojazdu
przedstawiono na rys. 1. Składa się ona z dwóch
podstawowych elementów, tj. pomiaru odchylenia pojazdu
od osi pionowej oraz układu sterowania róznicowym
napędem pojazdu.
Główna jednostka obliczeniowa kontroluje pracę
wszystkich elementów konstrukcji elektronicznej oraz
stanowi
nadrzędny
układ
sterowania
pojazdem.
Podrzędnymi układami sterowania są sterowniki silników,
które
poprzez
odpowiednie
sterowanie
silnikami
napędowymi realizują zadaną wartość prędkości pojazdu
wygenerowaną przez jednostkę nadrzędną.
2. Założenia i struktura pojazdu
Konstrukcja mechaniczna pojazdu jest związana z jego
cechami, w szczególności umiejscowieniem napędów oraz
Rys. 1. Struktura pojazdu
Fig. 1. The structure of the vehicle
2/2012 Pomiary Automatyka Robotyka
241
nauka
3.
3. Wykonanie
Wykonanie części
części mechanicznej
mechanicznej
3.1.
3.1. Rama
Rama pojazdu
pojazdu
Ramę
Ramę pojazdu
pojazdu zaprojektowano
zaprojektowano ii wykonano
wykonano zgodnie
zgodnie zz załozałożeniami
z
punktu
2.
Szkielet
ramy
przygotowano
żeniami z punktu 2. Szkielet ramy przygotowano zz profili
profili
stalowych
stalowych zamkniętych
zamkniętych o
o wymiarach
wymiarach 20
20 ×
× 10
10 ×
×1
1 mm.
mm.
Elementy
składowe
ramy
połączono
za
pomocą
spawania
Elementy składowe ramy połączono za pomocą spawania
elektrycznego,
elektrycznego, co
co daje
daje konstrukcji
konstrukcji trwałość
trwałość ii odpowiednią
odpowiednią
odporność
na
uszkodzenia.
Widok
odporność na uszkodzenia. Widok projektu
projektu ramy
ramy wraz
wraz
zz głównymi
wymiarami
przedstawiono
na
rys.
2.
głównymi wymiarami przedstawiono na rys. 2.
Ze
Ze względu
względu na
na różnicę
różnicę wysokości
wysokości pomiędzy
pomiędzy dolną
dolną krakrawędzią
oprawy
łożyska,
a
krawędzią
silnika
należało
wędzią oprawy łożyska, a krawędzią silnika należało wywykonać
konać odpowiednie
odpowiednie mocowania.
mocowania. Zrealizowano
Zrealizowano to
to w
w oparciu
oparciu
oo profil
profil stalowy
stalowy oo wymiarach
wymiarach 30
30 ×
× 40
40 ×
× 11 mm
mm ii długości
długości
145
mm
pod
każdą
oprawę
łożyska,
a
następnie
145 mm pod każdą oprawę łożyska, a następnie połączono
połączono
zz ramą
ramą za
za pomocą
pomocą spawania
spawania elektrycznego
elektrycznego (rys.
(rys. 4).
4).
Rys.
Rys. 4.
4.
Fig.
Fig. 4.
4.
Rys.
Rys. 2.
2.
Fig.
Fig. 2.
2.
Widok
Widok projektu
projektu ramy
ramy pojazdu
pojazdu
View
design
of
the
View design of the vehicle
vehicle frame
frame
Rama
Rama pojazdu
pojazdu zawiera
zawiera mocowania
mocowania pod
pod wszelkie
wszelkie podzepodzespoły,
tj.
silniki
napędowe
z
przeniesieniem
społy, tj. silniki napędowe z przeniesieniem napędu,
napędu,
skrzynkę
skrzynkę akumulatorową
akumulatorową wraz
wraz zz osprzętem
osprzętem elektrycznym
elektrycznym
oraz
mostki
H
do
sterowania
silnikami.
oraz mostki H do sterowania silnikami.
Projekt
Projekt ramy
ramy uwzględnia
uwzględnia również
również mocowanie
mocowanie pod
pod
oprawę
łożyska
tocznego
przeznaczonego
oprawę łożyska tocznego przeznaczonego do
do montażu
montażu
drążka
drążka kierowniczego.
kierowniczego. Łożysko
Łożysko zablokowano
zablokowano w
w oprawie,
oprawie,
dzięki
czemu
uzyskano
stabilne
połączenie
drążka
dzięki czemu uzyskano stabilne połączenie drążka zz ramą
ramą
pojazdu
pojazdu oraz
oraz prostotę
prostotę manewrowania
manewrowania drążkiem.
drążkiem.
Drążek
Drążek kierowniczy
kierowniczy jest
jest utrzymywany
utrzymywany w
w pozycji
pozycji
neutralnej
za
pomocą
dwóch
sprężyn
o
neutralnej za pomocą dwóch sprężyn o długości
długości
140
140 mm
mm wykonanych
wykonanych zz drutu
drutu stalowego
stalowego o
o średnicy
średnicy
2,5
mm
(rys.
3).
Sprężyny
są
zaczepione
o
ramę
2,5 mm (rys. 3). Sprężyny są zaczepione o ramę pojazpojazdu
du oraz
oraz uchwyt
uchwyt przyspawany
przyspawany do
do łożyska.
łożyska. Odpowiednio
Odpowiednio
naciągnięte
naciągnięte zapewniają
zapewniają one
one samoczynny
samoczynny powrót
powrót drążka
drążka
kierowniczego
do
pozycji
neutralnej,
jednocześnie
kierowniczego do pozycji neutralnej, jednocześnie nie
nie
utrudniając
utrudniając ruchu
ruchu drążka.
drążka. Jako
Jako przetwornik
przetwornik położenia
położenia
drążka
drążka kierowniczego
kierowniczego wykorzystano
wykorzystano dwuścieżkowy
dwuścieżkowy popotencjometr
obrotowy.
tencjometr obrotowy.
Silniki
Silniki napędowe
napędowe są
są zamocowane
zamocowane do
do ramy
ramy pojazdu
pojazdu popoprzez
fabryczne
otwory
umieszczone
w
podstawie
przez fabryczne otwory umieszczone w podstawie silnika.
silnika.
W
W celu
celu ich
ich montażu
montażu wykonano
wykonano cztery
cztery otwory
otwory o
o średnicy
średnicy
8
mm
w
ramie
pojazdu
oraz
powiększono
otwory
8 mm w ramie pojazdu oraz powiększono otwory na
na jednej
jednej
ze
ze ścianek
ścianek profilu
profilu do
do średnicy
średnicy 12
12 mm,
mm, aby
aby śruby
śruby były
były
ukryte
ukryte wewnątrz
wewnątrz profilu.
profilu.
3.2.
3.2. Napęd
Napęd
Do
Do napędu
napędu pojazdu
pojazdu wykorzystano
wykorzystano silniki
silniki prądu
prądu stałego
stałego
zz magnesami
trwałymi
ze
zintegrowaną
przekładnią
magnesami trwałymi ze zintegrowaną przekładnią planeplanetarną
tarną o
o parametrach
parametrach przedstawionych
przedstawionych w
w tab.
tab. 1.
1.
Tab.
Tab. 1.
1.
Tab.
Tab. 1.
1.
Lp.
Lp.
11
22
33
44
55
242
Mocowanie
Mocowanie drążka
drążka kierowniczego
kierowniczego
Mounting
of
Mounting of the
the steering
steering
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2012
Parametry
Parametry silnika
silnika
The
The motor
motor parameters
parameters
Parametr
Parametr
Napięcie
znamionowe
Napięcie znamionowe
Znamionowy
prąd twornika
twornika
Znamionowy prąd
Moc
Moc
Sprawność
Sprawność
Prędkość obrotowa
obrotowa
Prędkość
Wartość
Wartość
24 V
V
24
≤ 26,7
26,7 A
A
≤
500
W
500 W
≥ 78
78 %
%
≥
533
±5
%
obr/min
533 ±5 % obr/min
Jako
Jako koła
koła napędowe
napędowe użyto
użyto kół
kół o
o rozmiarze
rozmiarze 11”
11” wraz
wraz
zz oponą
120/70
(rys.
5).
oponą 120/70 (rys. 5).
Rys.
Rys. 5.
5.
Fig.
Fig. 5.
5.
Rys.
Rys. 3.
3.
Fig.
Fig. 3.
3.
Mocowanie
Mocowanie łożyska
łożyska
Mounting
Mounting of
of the
the bearing
bearing
Koła
Koła napędowe
napędowe
Driving
Driving Wheel
Wheel
W
W celu
celu przeniesienia
przeniesienia napędu
napędu zaprojektowano
zaprojektowano wałek
wałek łąłączący
wyjście
z
przekładni
silnika
z
kołem
(rys.
czący wyjście z przekładni silnika z kołem (rys. 6).
6). PołąPołączenie
czenie powinno
powinno wytrzymać
wytrzymać obciążenia
obciążenia związane
związane zz ciężarem
ciężarem
człowieka,
nie
przenosić
obciążeń
na
łożyska
człowieka, nie przenosić obciążeń na łożyska silnika
silnika oraz
oraz
zapewnić
zapewnić jak
jak najmniejsze
najmniejsze straty
straty energii
energii związane
związane zz przeprze-
nauka
niesieniem momentu mechanicznego. Ważnym elementem
niesieniem momentu mechanicznego. Ważnym elementem
połączenia koła z wałkiem przenoszącym napęd jest
połączenia koła z wałkiem przenoszącym napęd jest
uwzględnienie sił tnących występujących na połączeniu
uwzględnienie sił tnących występujących na połączeniu
koła napędowego z wałkiem, które mogą spowodować
koła napędowego z wałkiem, które mogą spowodować
uszkodzenie śrub mocujących koło do wałka. Aby zmniejuszkodzenie śrub mocujących koło do wałka. Aby zmniejszyć ich oddziaływanie należało uwzględnić ich działanie
szyć ich oddziaływanie należało uwzględnić ich działanie
w projekcie wałka. Zmniejszenie oddziaływania sił tnących
w projekcie wałka. Zmniejszenie oddziaływania sił tnących
osiągnięto poprzez odpowiedni kształt wałka od strony koosiągnięto poprzez odpowiedni kształt wałka od strony koła. Koło jest przytwierdzone do wałka za pomocą pięciu
ła. Koło jest przytwierdzone do wałka za pomocą pięciu
śrub M6/30 z łbem imbusowym i nakrętkami samoblokuśrub M6/30 z łbem imbusowym i nakrętkami samoblokującymi. Wałek podparto na dwóch łożyskach tocznych
jącymi. Wałek podparto na dwóch łożyskach tocznych
samonastawnych w oprawie.
samonastawnych w oprawie.
Rys. 6.
Rys. 6.
Fig. 6.
Fig. 6.
Wałek napędowy
Wałek napędowy
The driver shaft
The driver shaft
Połączenie silnika napędowego z wałkiem polega na
Połączenie silnika napędowego z wałkiem polega na
unieruchomieniu wałka wyjściowego z przekładni weunieruchomieniu wałka wyjściowego z przekładni wewnątrz wałka napędowego za pomocą dwóch śrub M6.
wnątrz wałka napędowego za pomocą dwóch śrub M6.
Tak wykonane przeniesienie napędu spełnia wcześniej zaTak wykonane przeniesienie napędu spełnia wcześniej założone wymagania, dodatkowo dzięki śrubom blokującym
łożone wymagania, dodatkowo dzięki śrubom blokującym
umieszczonym w oprawie łożyska tocznego uniemożliwia
umieszczonym w oprawie łożyska tocznego uniemożliwia
przesuwanie wzdłużne wałka, które mogłoby spowodować
przesuwanie wzdłużne wałka, które mogłoby spowodować
rozłączenie napędu. Zbudowany układ napędowy przedrozłączenie napędu. Zbudowany układ napędowy przedstawiono na rys. 7.
stawiono na rys. 7.
oraz prędkością obrotową silnika, oddzielny dla każdego
oraz prędkością obrotową silnika, oddzielny dla każdego
silnika. Umożliwia to zmianę konstrukcji poszczególnych
silnika. Umożliwia to zmianę konstrukcji poszczególnych
elementów bez konieczności zmiany pozostałych, co jest
elementów bez konieczności zmiany pozostałych, co jest
istotne w fazie prototypowej pojazdu i pozwala ograniczyć
istotne w fazie prototypowej pojazdu i pozwala ograniczyć
koszty oraz czas związany ze zmianami w projekcie.
koszty oraz czas związany ze zmianami w projekcie.
4.1.
4.1. Główna
Główna jednostka
jednostka obliczeniowa
obliczeniowa
Sercem głównej jednostki sterującej jest mikrokontroler
Sercem głównej jednostki sterującej jest mikrokontroler
firmy NXP – LPC2148 z rdzeniem ARM7TDMI-S pracufirmy NXP – LPC2148 z rdzeniem ARM7TDMI-S pracującym z maksymalną częstotliwością 60 MHz [12]. Umożjącym z maksymalną częstotliwością 60 MHz [12]. Umożliwia to zmianę konstrukcji poszczególnych elementów bez
liwia to zmianę konstrukcji poszczególnych elementów bez
konieczności zmiany pozostałych, co jest istotne w fazie
konieczności zmiany pozostałych, co jest istotne w fazie
prototypowej pojazdu i pozwala ograniczyć koszty oraz
prototypowej pojazdu i pozwala ograniczyć koszty oraz
czas związany ze zmianami w projekcie.
czas związany ze zmianami w projekcie.
Główną jednostkę sterującą zaprojektowano na płytce
Główną jednostkę sterującą zaprojektowano na płytce
drukowanej o wymiarach 84 × 110 mm (rys. 8). Wyposadrukowanej o wymiarach 84 × 110 mm (rys. 8). Wyposażono ją w następujące elementy: moduł komunikacji Blużono ją w następujące elementy: moduł komunikacji Bluetooth do bezprzewodowej komunikacji z komputerem klaetooth do bezprzewodowej komunikacji z komputerem klasy PC, złącze kart microSD do archiwizacji danych, pasy PC, złącze kart microSD do archiwizacji danych, pamięć EEPROM do przechowywania ustawień pojazdu,
mięć EEPROM do przechowywania ustawień pojazdu,
wejścia analogowe do pomiaru napięcia akumulatorów
wejścia analogowe do pomiaru napięcia akumulatorów
oraz położenia drążka kierowniczego, wyjścia sterujące
oraz położenia drążka kierowniczego, wyjścia sterujące
przekaźnikami mocy do załączania zasilania silników naprzekaźnikami mocy do załączania zasilania silników napędowych, wyjścia do komunikacji z akcelerometrem i żypędowych, wyjścia do komunikacji z akcelerometrem i żyroskopem oraz silnikami napędowymi, inne elementy, tj.
roskopem oraz silnikami napędowymi, inne elementy, tj.
diody LED oraz przyciski.
diody LED oraz przyciski.
Rys. 8.
Rys. 8.
Fig. 8.
Fig. 8.
Rys. 7.
Rys. 7.
Fig. 7.
Fig. 7.
Układ napędowy
Układ napędowy
The propulsion system
The propulsion system
4.
4. Wykonanie
Wykonanie części
części elektronicznej
elektronicznej
Strukturę elektroniczną pojazdu podzielono na trzy eleStrukturę elektroniczną pojazdu podzielono na trzy elementy: główną jednostkę obliczeniową, której zadaniem
menty: główną jednostkę obliczeniową, której zadaniem
jest fuzja i filtracja sygnałów sensorycznych, kontrola
jest fuzja i filtracja sygnałów sensorycznych, kontrola
działania całego pojazdu, zbieranie i archiwizacja danych
działania całego pojazdu, zbieranie i archiwizacja danych
o pojeździe, komunikacja z komputerem klasy PC; samoo pojeździe, komunikacja z komputerem klasy PC; samodzielnie działający układ kaskadowej regulacji silnika prądzielnie działający układ kaskadowej regulacji silnika prądu stałego, oddzielny dla każdego silnika; stopień mocy
du stałego, oddzielny dla każdego silnika; stopień mocy
zasilania silnika, czyli mostek H do sterowania kierunkiem
zasilania silnika, czyli mostek H do sterowania kierunkiem
Widok płytki drukowanej głównej jednostki obliczeniowej
Widok płytki drukowanej głównej jednostki obliczeniowej
View of the main PCB (printed circuit board) unit of acView of the main PCB (printed circuit board) unit of account
count
Płytę główną wyposażono w dwa złącza: do komunikaPłytę główną wyposażono w dwa złącza: do komunikacji z akcelerometrem i żyroskopem poprzez magistralę I22C
cji z akcelerometrem i żyroskopem poprzez magistralę I C
(Inter-Integrated Circuit) oraz z silnikami, połączonymi
(Inter-Integrated Circuit) oraz z silnikami, połączonymi
magistralą SPI (Serial Peripheral Interface). W obu przymagistralą SPI (Serial Peripheral Interface). W obu przypadkach mikrokontroler LPC2148 pełni nadrzędną rolę
padkach mikrokontroler LPC2148 pełni nadrzędną rolę
w transmisji danych. Dodatkowo do płyty głównej doprow transmisji danych. Dodatkowo do płyty głównej doprowadzono sygnały przerwań generowane przez akcelerometr
wadzono sygnały przerwań generowane przez akcelerometr
i żyroskop, których inicjalizacja jest programowalna.
i żyroskop, których inicjalizacja jest programowalna.
Do zasilania płyty głównej oraz pozostałych elemenDo zasilania płyty głównej oraz pozostałych elementów zasilanych napięciem 5 V wykorzystano przetwornicę
tów zasilanych napięciem 5 V wykorzystano przetwornicę
step-down LM 2575 firmy National Semiconductor [10].
step-down LM 2575 firmy National Semiconductor [10].
W celu zapewnienia jej poprawnej pracy również projekt
W celu zapewnienia jej poprawnej pracy również projekt
płytki drukowanej wykonano według zaleceń producenta.
płytki drukowanej wykonano według zaleceń producenta.
Ze względu na konieczność zasilania mikrokontrolera
Ze względu na konieczność zasilania mikrokontrolera
LPC2148 oraz modułu Bluetooth BTM112 [5] napięciem
LPC2148 oraz modułu Bluetooth BTM112 [5] napięciem
2/2012 Pomiary Automatyka Robotyka
243
nauka
3,3
3,3 V
V w
w projekcie
projekcie dodatkowo
dodatkowo wykorzystano
wykorzystano liniowy
liniowy stabistabilizator
napięcia
LM1117
[9].
lizator napięcia LM1117 [9].
Wcześniej
Wcześniej wymieniony
wymieniony akcelerometr
akcelerometr ii żyroskop
żyroskop to
to momodele
odpowiednio:
BMA180
o
programowalnym
zakresie
dele odpowiednio: BMA180 o programowalnym zakresie
pomiarowym
pomiarowym 1–16
1–16 gg ii rozdzielczości
rozdzielczości 14
14 bitów
bitów [8]
[8] oraz
oraz
ITG
3200
o
rozdzielczości
16
bitów
w
zakresie
ITG 3200 o rozdzielczości 16 bitów w zakresie pomiaru
pomiaru
prędkości
prędkości kątowej
kątowej ±2000°/s
±2000°/s [14]
[14] wykonane
wykonane w
w technologii
technologii
MEMS
(Micro
Electro-Mechanical
Systems).
MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems). Czujniki
Czujniki popomiarowe
miarowe umieszczono
umieszczono na
na dodatkowej
dodatkowej płytce
płytce drukowanej
drukowanej
tak,
tak, aby
aby znajdowały
znajdowały się
się w
w osi
osi obrotu
obrotu kół
kół napędowych
napędowych popojazdu.
Pozwala
to
na
bezpośredni
pomiar
jazdu. Pozwala to na bezpośredni pomiar prędkości
prędkości kątokątowej
wej pojazdu
pojazdu bez
bez wpływu
wpływu innych
innych czynników.
czynników. Ponieważ
Ponieważ
czujniki
MEMS
wykorzystują
ten
sam
czujniki MEMS wykorzystują ten sam sposób
sposób transmisji
transmisji
II22C
C są
są połączone
połączone za
za pomocą
pomocą wspólnych
wspólnych linii
linii danych.
danych.
Rys. 9.
9. Struktura
wewnętrzna czujnika
czujnika [2]
[2]
Rys.
Struktura wewnętrzna
Fig. 9.
9. Internal
of the
the sensor
sensor [2]
[2]
Fig.
Internal structure
structure of
4.2.
4.2. Układ
Układ sterowania
sterowania napędem
napędem
Układ
Układ sterowania
sterowania napędem
napędem jest
jest podrzędnym
podrzędnym elementem
elementem
układu
sterowania
pojazdem
realizującym
układu sterowania pojazdem realizującym kaskadową
kaskadową reregulację
gulację prędkością
prędkością obrotową
obrotową silnika
silnika prądu
prądu stałego
stałego zz mamagnesami
gnesami trwałymi.
trwałymi. Głównym
Głównym elementem
elementem tego
tego układu
układu jest
jest
8-bitowy
mikrokontroler
ATmega32
pracujący
8-bitowy mikrokontroler ATmega32 pracujący zz częstotliczęstotliwością
wością 16
16 MHz
MHz [7].
[7]. Aby
Aby zapewnić
zapewnić odpowiednie
odpowiednie sprzężenia
sprzężenia
zwrotne
dla
układu
regulacji,
jako
zwrotne dla układu regulacji, jako sprzężenie
sprzężenie wewnętrznej
wewnętrznej
pętli
pętli układu
układu sterowania
sterowania wykorzystano
wykorzystano prąd
prąd twornika,
twornika, nanatomiast
sprzężenie
zewnętrznej
pętli
stanowi
tomiast sprzężenie zewnętrznej pętli stanowi prędkość
prędkość obobrotowa
rotowa twornika.
twornika.
Wartość
Wartość prądu
prądu pobieranego
pobieranego przez
przez silniki
silniki jest
jest istotna
istotna
w
ich
zabezpieczeniu
przed
przeciążeniem,
które
w ich zabezpieczeniu przed przeciążeniem, które może
może
spowodować
spowodować uszkodzenie,
uszkodzenie, aa ponadto
ponadto stanowi
stanowi sprzężenie
sprzężenie
dla
dla regulatora.
regulatora. Ze
Ze względu
względu na
na stosunkowo
stosunkowo duży
duży prąd
prąd popobierany
przez
silniki
napędowe,
zaprojektowano
bierany przez silniki napędowe, zaprojektowano odpoodpowiedni
wiedni układ
układ pomiaru
pomiaru prądu.
prądu. Jedną
Jedną zz najczęściej
najczęściej stosowastosowanych
metod
pomiaru
prądu
wykorzystywaną
nych metod pomiaru prądu wykorzystywaną w
w robotyce
robotyce
jest
jest pomiar
pomiar spadku
spadku napięcia
napięcia na
na rezystorze
rezystorze włączonym
włączonym szeszeregowo
w
obwodzie
twornika.
Niestety,
duży
regowo w obwodzie twornika. Niestety, duży prąd
prąd twornitwornika
ka prowadzi
prowadzi do
do dużych
dużych strat
strat mocy
mocy wydzielanej
wydzielanej na
na rezystorezystorze
pomiarowym.
Zmniejszenie
rezystancji
powoduje
rze pomiarowym. Zmniejszenie rezystancji powoduje ograograniczenie
niczenie mocy,
mocy, ale
ale jednocześnie
jednocześnie wiąże
wiąże się
się zz koniecznością
koniecznością
wzmocnienia
wzmocnienia mierzonego
mierzonego napięcia
napięcia w
w celu
celu jego
jego pomiaru.
pomiaru.
W
związku
z
tym
zastosowano
czujnik
ACS758
W związku z tym zastosowano czujnik ACS758 firmy
firmy AlAllegro
legro Microsystems
Microsystems wykorzystujący
wykorzystujący efekt
efekt Halla
Halla (rys.
(rys. 9).
9).
Jego
Jego działanie
działanie polega
polega na
na pomiarze
pomiarze pola
pola magnetycznego
magnetycznego
wywołanego
wywołanego przez
przez prąd
prąd płynący
płynący przez
przez przewodnik.
przewodnik. WielWielkość
pola
magnetycznego
jest
proporcjonalna
kość pola magnetycznego jest proporcjonalna do
do natężenia
natężenia
prądu,
prądu, zatem
zatem w
w prosty
prosty sposób
sposób można
można otrzymać
otrzymać sygnał
sygnał nanapięciowy.
pięciowy.
Czujnik
Czujnik umożliwia
umożliwia pomiar
pomiar prądu
prądu stałego/zmiennego
stałego/zmiennego
oo natężeniu
do
200
A,
jednocześnie
natężeniu do 200 A, jednocześnie przy
przy spadku
spadku mocy
mocy
przez
rezystancję
czujnika
wynoszącą
tylko
przez rezystancję czujnika wynoszącą tylko 100
100 µ�.
µ�. DoDodatkową
datkową jego
jego zaletą
zaletą jest
jest separacja
separacja galwaniczna.
galwaniczna.
Kolejną
Kolejną wielkością
wielkością mierzoną
mierzoną jest
jest prędkość
prędkość obrotowa
obrotowa
twornika.
Przy
wyborze
sposobu
pomiaru
twornika. Przy wyborze sposobu pomiaru tej
tej wielkości
wielkości
kierowano
kierowano się
się jak
jak najmniejszymi
najmniejszymi gabarytami
gabarytami przetworniprzetwornika
ka ze
ze względu
względu na
na ograniczoną
ograniczoną ilość
ilość miejsca,
miejsca, możliwość
możliwość
pomiaru
prędkości
ze
stałym
okresem
pomiaru prędkości ze stałym okresem próbkowania,
próbkowania, aa
także
także dużą
dużą dokładność
dokładność ii rozdzielczość.
rozdzielczość. Innym
Innym ważnym
ważnym
czynnikiem
decydującym
o
wyborze
czujnika
czynnikiem decydującym o wyborze czujnika pomiarowepomiarowego
go była
była odporność
odporność na
na zanieczyszczenia
zanieczyszczenia w
w obrębie
obrębie jego
jego
działania.
działania.
244
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2012
Rys.
Rys. 10.
10.
Fig.
Fig. 10.
10.
Widok
Widok zamontowanego
zamontowanego magnesu
magnesu
View
of
View of the
the magnet
magnet mounted
mounted
Zastosowano
Zastosowano magnetyczny
magnetyczny enkoder
enkoder AS5040
AS5040 firmy
firmy
Austriamicrosystems
[6].
Urządzenie
to
wykorzystuje
Austriamicrosystems [6]. Urządzenie to wykorzystuje ododdziaływanie
działywanie pola
pola magnetycznego,
magnetycznego, co
co pozwala
pozwala dokonać
dokonać
bezkontaktowego
bezkontaktowego pomiaru
pomiaru prędkości.
prędkości. Enkoder
Enkoder składa
składa się
się
zz dwóch
elementów:
układu
scalonego
zawierającego
dwóch elementów: układu scalonego zawierającego
w
w swojej
swojej strukturze
strukturze czujniki
czujniki Halla
Halla oraz
oraz magnesu
magnesu neodyneodymowego
o
wymiarach
6
×
2,5
mm
umieszczonego
mowego o wymiarach 6 × 2,5 mm umieszczonego na
na obraobracającym
cającym się
się elemencie.
elemencie. Umieszczenie
Umieszczenie magnesu
magnesu na
na wale
wale silsilnika
nika (rys.
(rys. 10)
10) nie
nie wpływa
wpływa na
na jego
jego pracę.
pracę.
Aplikacja
Aplikacja enkodera
enkodera pozwala
pozwala na
na jego
jego programowanie
programowanie
podczas
pracy,
a
do
pomiaru
prędkości
podczas pracy, a do pomiaru prędkości obrotowej
obrotowej wykowykorzystuje
rzystuje się
się wyjścia
wyjścia w
w trybie
trybie impuls/kierunek
impuls/kierunek zz rozdzielrozdzielczością
czością 10
10 bitów.
bitów. Układ
Układ sterowania
sterowania napędem
napędem wyposażono
wyposażono
również
w
czujnik
temperatury
o
symbolu
również w czujnik temperatury o symbolu LM35
LM35 [11]
[11] do
do
kontrolowania
temperatury
radiatora
stopnia
mocy
kontrolowania temperatury radiatora stopnia mocy sterusterującego
jącego silnikiem.
silnikiem. Dodatkowo
Dodatkowo w
w celu
celu ułatwienia
ułatwienia przeproprzeprowadzania
testów,
do
układu
dodano
wadzania testów, do układu dodano wyjście
wyjście transmisji
transmisji
szeregowej
szeregowej UART
UART (Universal
(Universal Asynchronous
Asynchronous Receiver
Receiver
Transmitter),
przycisk
oraz
diody
Transmitter), przycisk oraz diody LED.
LED.
Płytkę
Płytkę drukowaną
drukowaną zaprojektowano
zaprojektowano zz możliwością
możliwością
umieszczenia
jej
na
obudowie
umieszczenia jej na obudowie silnika.
silnika. Pozwoliło
Pozwoliło to
to umieumieścić
układ
scalony
enkodera
AS5040
na
tej
samej
ścić układ scalony enkodera AS5040 na tej samej płytce
płytce
drukowanej.
drukowanej. Ponieważ
Ponieważ zz tyłu
tyłu obudowy
obudowy silnika
silnika znajdują
znajdują się
się
otwory
wentylacyjne,
wielkość
oraz
kształt
płytki
otwory wentylacyjne, wielkość oraz kształt płytki została
została
wymuszona
wymuszona ich
ich rozmieszczeniem
rozmieszczeniem (rys.
(rys. 11).
11).
Rys. 11.
11. Widok
płytki drukowanej
drukowanej układu
układu sterowania
sterowania silnikiem
silnikiem
Rys.
Widok płytki
Fig. 11.
11. View
View of
of motor
controller PCB
PCB
Fig.
motor controller
nauka
4.3.Zasilanie
Zasilanie oraz
oraz stopień
stopień mocy
mocy sterowania
sterowania
4.3.
silnikami
silnikami
Do zasilania
zasilania pojazdu
pojazdu zastosowano
zastosowano cztery
cztery akumulatory
akumulatory liliDo
towo-polimerowe
o
pojemności
5200
mAh
i
nominalnym
towo-polimerowe o pojemności 5200 mAh i nominalnym
napięciu 11,1
11,1 V.
V. Charakteryzują
Charakteryzują się
się one
one bardzo
bardzo niską
niską mamanapięciu
są
oraz
gabarytami
w
stosunku
do
pojemności.
Innym
są oraz gabarytami w stosunku do pojemności. Innym
bardzo ważnym
ważnym parametrem
parametrem tego
tego typu
typu akumulatorów
akumulatorów jest
jest
bardzo
wysoki
prąd
rozładowania,
który
dla
wykorzystanego
wysoki prąd rozładowania, który dla wykorzystanego
akumulatora oo pojemności
pojemności 5200
5200 mAh
mAh wynosi
wynosi 20
20 C.
C. PaPaakumulatora
rametr
ten
jest
znaczący
w
przedstawionym
projekcie
ze
rametr ten jest znaczący w przedstawionym projekcie ze
względu
na
parametry
silników
napędowych,
których
prąd
względu na parametry silników napędowych, których prąd
znamionowy twornika
twornika wynosi
wynosi 26,7
26,7 A,
A, aa wartości
wartości chwilowe
chwilowe
znamionowy
mogą
być
znacznie
większe.
Dodatkowo
mała
masa
akumogą być znacznie większe. Dodatkowo mała masa akumulatorów
nieznacznie
zwiększa
masę
pojazdu.
mulatorów nieznacznie zwiększa masę pojazdu.
Rys. 12.
Rys. 12.
Fig. 12.
Fig. 12.
Rys.13.
Rys.13.
Fig.13.
Fig.13.
Widok z przodu
Widok z przodu
Front view
Front view
Rys.14.
Rys.14.
Fig.14.
Fig.14.
Widok z boku
Widok z boku
Side view
Side view
Rys.15.
Rys.15.
Fig.15.
Fig.15.
Widok rozmieszczenia elementów
Widok rozmieszczenia elementów
View layout of elements
View layout of elements
Widok mostka H
Widok mostka H
H-bridge view
H-bridge view
W celu
celu zmiany
zmiany kierunku
kierunku ii prędkości
prędkości obrotowej
obrotowej silnisilniW
ków
napędowych
zastosowano
mostki
H
zbudowane
ków napędowych zastosowano mostki H zbudowane
tranzystorów MOSFET
MOSFET (Metal
(Metal Oxide
Oxide Semiconductor
Semiconductor
zz tranzystorów
Field
Effect
Transistor)
oraz
sterownik
bramek
tranzystoField Effect Transistor) oraz sterownik bramek tranzystorów
HIP4081
[3].
Sterownik
ten
wybrano
ze
względu
na
rów HIP4081 [3]. Sterownik ten wybrano ze względu na
szereg
zalet
związanych
z
jego
działaniem,
a
mianowicie:
szereg zalet związanych z jego działaniem, a mianowicie:
wysoki prąd
prąd sterowania
sterowania bramkami
bramkami tranzystorów,
tranzystorów, zabezpiezabezpiewysoki
czenie
przed
włączeniem
tranzystorów
w
jednej
gałęzi
czenie przed włączeniem tranzystorów w jednej gałęzi
mostka
H,
martwy
czas
załączenia
tranzystorów.
mostka H, martwy czas załączenia tranzystorów.
W projekcie
projekcie stopnia
stopnia mocy
mocy uwzględniono
uwzględniono wszelkie
wszelkie zalezaleW
cenia
producenta
dotyczące
zarówno
doboru
komponentów
cenia producenta dotyczące zarówno doboru komponentów
jak ii projektu
projektu płytki
płytki drukowanej.
drukowanej. Ze
Ze względu
względu na
na stosunstosunjak
kowo
duży
prąd
pobierany
przez
silniki
napędowe
zdecykowo duży prąd pobierany przez silniki napędowe zdecydowano
się
wykonać
sterownik
silników
w
postaci
dwóch
dowano się wykonać sterownik silników w postaci dwóch
płytek drukowanych.
drukowanych. Pierwsza
Pierwsza zz nich
nich zz nich
nich zawiera
zawiera jedyjedypłytek
nie
tranzystory
wraz
z
radiatorem,
elementy
zabezpieczanie tranzystory wraz z radiatorem, elementy zabezpieczające, złącza
złącza zasilania
zasilania ii wyprowadzenia
wyprowadzenia dla
dla silnika.
silnika. Na
Na drudrujące,
giej
płytce
umieszczono
sterownik
HIP4081
wraz
z
osprzęgiej płytce umieszczono sterownik HIP4081 wraz z osprzętem ii wyprowadzeniami
wyprowadzeniami do
do zasilania
zasilania ii sterowania.
sterowania. Aby
Aby zazatem
pewnić
jak
najlepsze
połączenie
HIP4081
z
tranzystorami,
pewnić jak najlepsze połączenie HIP4081 z tranzystorami,
płytkę sterującą
sterującą umieszczono
umieszczono nad
nad płytką
płytką wysoko
wysoko prądową.
prądową.
płytkę
Na
rys.
12
przedstawiono
kompletny
mostek
H
do sterosteroNa rys. 12 przedstawiono kompletny mostek H do
wania
jednym
silnikiem
napędowym.
wania jednym silnikiem napędowym.
5. Wynik
Wynik końcowy
końcowy
5.
Na rys.
rys. 13–15
13–15 przedstawiono
przedstawiono końcowy
końcowy efekt
efekt pracy
pracy nad
nad popoNa
jazdem.
Wszystkie
założenia
zostały
spełnione,
czego
rejazdem. Wszystkie założenia zostały spełnione, czego rezultatem
jest
w
pełni
działająca
konstrukcja
mechanicznozultatem jest w pełni działająca konstrukcja mechanicznoelektroniczna pojazdu
pojazdu mobilnego.
mobilnego.
elektroniczna
2/2012 Pomiary Automatyka Robotyka
245
nauka
6. Podsumowanie
Prace dotyczące pojazdów mobilnych są intensywnie prowadzone na całym świecie. Urządzenia te coraz częściej
wspomagają/zastępują człowieka w obowiązkach domowych i zawodowych, szczególnie w środowisku niebezpiecznym lub w miejscach trudno dostępnym. W artykule
przedstawiono projekt i wykonanie balansującego pojazdu
mobilnego. Jego elastyczność wynikająca z modułowej budowy powoduje, że może on być rozbudowywany, a dzięki
temu może znaleźć szerokie zastosowanie (np. edukacja,
badania, przemysł). Użyte interfejsy pozwalają na rozbudowę konstrukcji elektronicznej o kolejne moduły bez konieczności ingerencji w całość, co zarówno przyśpiesza
modyfikację, jak i ogranicza koszty z tym związane.
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
246
Afonso P., Azevedo J. Cardeira C. Cunha B., Lima P.,
Santos V.: Challenges and solutions in an autonomous driving mobile robot competition. Proc. of the 7th
Portuguese Conference on Automatic Control CONTROLO, Lisbon, 11–13 September, 2006.
Allegro
MicroSystems,
[www.allegromicro.com],
dostęp 29.10.2011.
Application Note HIP4081, February 2003 AN9325.3.
Borkowicz Z., Cader M., Górska-Szkaradek J.: Pierwszy mobilny robot do zadań specjalnych w kopalniach.
„Pomiary Automatyka Robotyka” 1/2011, 8–11.
BTM-11x Specification,
[www.kamami.pl/dl/btm112_datasheet.pdf], dostęp
29.10.2011.
Data sheet AS5040 Austriamicrosystems, Rev. 2.10.
Data sheet ATmega32 Atmel, 2503Q–AVR–02/11.
Data sheet BMA180 v2.5, 07 December 2010.
Data sheet LM1117/LM1117I National Semiconductor, October 2002.
Data sheet LM1575/LM2575/LM2575HV National
Semiconductor, April 2007.
Data sheet LM35 National Semiconductor, November
2000.
Data sheet LPC2141/42/44/46/48 Rev. 01-07 September 2005.
Heyer C.: Human-robot interaction and future industrial robotics applications. [w:] Proc. of the
IEEE/RSJ International Conference on Intelligent
Robots and Systems, Taipei, 18–22 October, 2010.
ITG-3200 Product Specification Rev. 1.4, 30 March
2010.
Klimasara W.J.: Koncepcja, projekt oraz konstrukcja
mechaniczna
mobilnego
robota
interwencyjnoinspekcyjnego SR-10 Inspector. Materiały Konferencyjne VII Krajowej Konferencji Robotyki, Lądek
Zdrój, 5–8 września 2001.
Mikołajewska E., Mikołajewski D.: Zastosowania automatyki i robotyki w wózkach dla niepełnosprawnych
i egzoszkieletach medycznych, „Pomiary Automatyka
Robotyka” 5/2011, 58–63.
Segway HT, [www.segway.com], dostęp 29.10.2011.
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2012
18. Szynkiewicz W., Chojecki R., Rydzewski A., Majchrowski M., Trojanek P.: Modułowy robot mobilny
Elektron, „Postępy Robotyki”, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2006.
Technical design and construction
of two-wheeled self-balancing mobile vehicle
Abstract: In recent years we can see rapid development of mobile vehicles that are becoming more widely used in everyday life
and in different industries. The paper presents the design assumptions and structure of two-wheel self-balancing mobile vehicle. Then it describes in detail the mechanical construction,
electronic and measuring devices. The individual components are
designed, chosen and combined to form a coherent whole.
Keywords: mobile vehicle, designing, mobile robots, robotics
inż. Patryk Pipczyński
Student studiów drugiego stopnia na Wydziale
Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej (kierunek: Automatyka i Robotyka). Zainteresowania: elektronika mikroprocesorowa,
robotyka i mechatronika.
e-mail: [email protected]
dr inż. Robert Piotrowski
Absolwent Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, kierunek: Automatyka i Robotyka (2001 r.). W 2005 r. uzyskał
stopień doktora (Automatyka i Robotyka).
Obecnie adiunkt w Katedrze Inżynierii Systemów Sterowania. Zainteresowania naukowe
dotyczą modelowania i zaawansowanych metod sterowania procesami przemysłowymi.
e-mail: [email protected]