Система автоматического управления манипулятором робота-лунохода (стр. 6 из 6)
Подавляющее большинство задач по измерению в промышленности приходится на диапазоны от долей микрон до нескольких десятков метров. При этим датчики должны работать с объектами далекими от идеальных: малого размера, имеющих различный цвет, сложную структуру поверхности и перемещающихся с высокой скоростью. Для таких целей наиболее подходят лазерные датчики расстояния, работающие по принципу оптической триангуляции.
Рисунок 26. Принцип работы оптического датчика расстояния
На рисунке показан принцип работы оптического датчика расстояния. Лазер посылает через линзу луч, который отражается от объекта и фокусируется на линейке из фотодиодов, которая преобразует световой сигнал в электрический. Всякое изменение расстояния до объекта вызывает изменение угла отраженного луча и, следовательно, позиции, которую отраженный луч занимает на линейке фотодиодов. Микроконтроллер обрабатывает сигнал от линейки фотодиодов и преобразует его в аналоговый электрический сигнал.
Наиболее важное качество таких датчиков расстояния состоит в сочетании высокой точности измерения и больших измеряемых расстояниях. Большинство производителей предлагают датчики с разрешением от 1 мкм до 1мм. Однако высокая точность возможна только на относительно коротких расстояниях. Так что, например, точность в 1 мкм на расстояниях в 1 метр получить вряд ли удастся.
Для снижения влияния шумов все лазерные датчики расстояний позволяют проводить интегральные или усредненные измерения. При этом производится множество измерений расстояния до объекта и результат потом усредняется, тем самым повышается точность измерений. Однако большая точность требует большого количества измерений, увеличивая при этом общее время измерения. Так, например, что бы обеспечить точность в 1 мкм типичное время измерения составляет порядка 0,1 сек.
Вывод: Рассмотрев предложенные типы датчиков расстояния, остановимся на ультразвуковых датчиках, позволяющих определять расстояния до объектов на дистанциях до 10 метров, а также обладающих точным определением скорости передвижения объекта.
В разрабатываемой системе управления будем использовать датчик фирмы SICK UM30-15113. Он обладает следующими основными характеристиками:
Рисунок 27. Внешний вид выбранного датчика расстояния
· Максимальная дальность 8м;
· Выход: аналоговый 4-20 мA/0-10 В;
· Vпит. 12...30 В;
· корпус М30х1,5 - никелированная латунь, разъём М12, 4 контакта.
4.6 Обоснование и выбор схемы вычитания:
Схема вычитания предназначена для получения сигнала рассогласования между входами.
Схемотехнически она реализуется следующим образом:
Рисунок 28. Схема вычитания
4.7 Обоснование и выбор схемы суммирования:
Схема суммирования предназначена для получения суммарного сигнала с двух входов. Схемотехнически она реализуется следующим образом:
Рисунок 29. Схема суммирования
где n – число входов.
4.8 Обоснование и выбор регулятора:
Главная задача систем регулирования состоит в том, чтобы стабилизировать параметры процесса на заданном уровне при воздействии внешних возмущающих воздействий, действующих на объект управления. Этим занимаются системы автоматической стабилизации. Другой не менее важной задачей является задача обеспечения программного перехода на новые режимы работы. Решение этой проблемы осуществляется с помощью той же системы стабилизации, задание которой изменяется от программного задатчика.
К автоматическим системам регулирования предъявляются требования не только по устойчивости процессов регулирования во всем диапазоне нагрузок на объект, но и по обеспечению определенных качественных показателей процесса автоматического регулирования. Ими являются:
· Ошибка регулирования (статистическая или среднеквадратическая составляющие).
· Время регулирования.
· Перерегулирование.
· Показатель колебательности.
Наиболее широко применяются следующие виды регуляторов:
1. П-регулятор – это линейный усилитель (между выходом и входом прямая зависимость), фазовый сдвиг которого в частотном диапазоне входных воздействий пренебрежительно мал. Введение такого регулятора в систему дает статическую ошибку С0 (ошибка по координате), но в некоторых случаях позволяет сделать систему регулирования устойчивой.
2. ПИ-регулятор – регулятор, использующий пропорционально-интегральный закон регулирования. Использование такого регулятора в системе дает астатическую ошибку первого порядка С1, так называемую ошибку по скорости. При этом за счет интегрального закона регулирования статическая ошибка равна нулю.
3. ПИД-регулятор – основан на пропорционально – интегрально – дифференциальном законе регулирования системы. Как и ПИ-регулятор, ПИД обеспечивает астатическое регулирование. При этом С0 и С1 равны нулю, за счет использования трех звеньев. Данный вид регуляторов плавно уменьшает ошибку регулируемой величины в ходе своей работы. Полезным свойством данных регуляторов является возможность преобразования выходного сигнала в ШИМ.
Вывод: Для создания регулятора будем использовать ПИД-регулятор.
Разрабатываемую функциональную схему можно условно разделить на 3 блока:
- Блок управления скоростью вращения левого колеса
- Блок управления скоростью вращения правого колеса
- Блок определения расстояния и направления до объекта следования
Функциональная схема устройства представлена в приложении А.
В настоящее время происходит бурный рост цифровой техники. Повсеместно создается множество цифровых элементов, которые раньше можно было реализовать только в аналоговом варианте. Цифровые элементы более надежны, функциональны и обладают рядом достоинств:
1. Полностью отсутствует дрейф нуля;
2. Имеется возможность запоминания и коррекции измеряемых значений управляемых (скорость, ускорение, угол) и управляющих (ШИМ) величин;
3. Способны к многоконтурному управлению без наращивания аппаратуры;
4. Способны реализовать не только традиционные линейные законы управления, но и нелинейные.
Исходя из этого разрабатываемую систему управления будем проектировать как цифровую систему управления. В этом случае многие элементы функциональной схемы можно заменить одним – микроконтроллером.
Микроконтроллер – это устройство, включающее в себя ОЗУ, ПЗУ, способное выполнять заложенную в него программу. В зависимости от комплектации МК может иметь и АЦП, ШИМ-модулятор, и т.д.
Наиболее известными являются микроконтроллеры фирмы «Microchip». Их основные особенности это:
1. Достаточно низкая цена 2-10$;
2. Высокая надежность;
3. Развитая периферия;
4. Высокое быстродействие (выполнение команды составляет 100-200 нсек);
Данная фирма выпускает следующие серии микроконтроллеров:
· серия 12С5х – простейшие контроллеры (таймер, DIP8);
· серия 12С67х – простейшие контроллеры (таймер, АЦП, DIP8);
· серия 16С7х – самые распространенные и наиболее «напичканные» периферийными устройствами;
· серия 16С77х – с 12-ти битными АЦП;
· серия 16С78х – АЦП, ЦАП, операционный усилитель, компаратор;
· серия 16С64(66)х – с аналоговыми компараторами 16С7х;
· серия 16С8х – модернизированный вариант старой серии 16С5х;
· серия 16С9хх – имеет выход на ЖКИ;
· серия 17Схх – имеет встроенный умножитель чисел и ориентирована на выполнение математических операций;
· серия 16F87Х – аналог 16C7х но с Flash-памятью 10-ти битными АЦП;
· серия 16С8ххх – 10-ти битные АЦП, 40 МГц тактовая частота, 4 таймера.
При выборе микроконтроллера следует учесть, что сигналы с выходов датчиков будут подаваться в аналоговом виде. Значит, для их обработки необходим АЦП. Исходя из этого выберем серию 16F87x для использования в системе управления.
Список литературы
1. Сборник научных трудов «Мобильные робототехнические комплексы» – М.:ИФТП 1990г.
2. Библиотека электронных компонентов. Выпуск 3: Силовая электроника фирмы HARRIS – М. ДОДЭКА, 1999 г., 32 с.
3. Лекции по курсу “ Технология проектирования СУ ” Ерилов Ю.В.
4. Лекции по курсу “ Микропроцессорные устройства систем управления ” Морозов Б.А.
5. Лекции по курсу “ Микроконтроллеры ” Морозов Б.А.