Izhodna veličina Primer aplikacije
Binarni signal (0 ali 1) Tipalni senzor Analogni signal (npr. 0…5V) Termopar Časovni signal (npr. PWM) Žiroskop Serijska povezava (USB) GPS modul Vzporedna povezava Digitalna kamera
Analogni senzorji nam vračajo analogni izhodni signal. Da lahko beremo vrednosti takih senzorjev, potrebujemo analogno digitalni (A/D) pretvornik, ki nam analogni signal spremeni v digitalno število. Gre za n-bitno število, ki je odvisno od natančnosti pretvornika.
Poleg natančnosti sta pri A/D pretvorniku pomembna še hitrost (izmenjava podatkov na sekundo) in območje razpona (npr. od 0 do 5 V). Podobno funkcijo imajo digitalno/analogni pretvorniki, ki digitalen signal zapišejo v izhodni analogni signal. Njihova resolucija je odvisna od digitalnega bitnega števila [2, 9].
Teoretične osnove in pregled literature
11
2.2.2.1 Rotacijski kodirniki
V mobilni robotiki se za nadzor vrtenja gredi DC motorjev uporabljajo kodirniki.
Uporabljamo jih v povratnih zankah, saj lahko preko teh krmilimo hitrosti motorjev.
Najpogosteje uporabljeni so magnetni in optični kodirniki. Lahko so rotacijski ali linearni.
Rotacijski so sestavljeni iz senzorja in diska, ki ga namestimo na gred motorja. Magnetni kodirniki uporabljajo Hallov senzor, ki zaznava spremembo napetosti zaradi spremembe magnetnega polja. Disk je magnetiziran, oziroma ima več magnetov nameščenih po krožnici.
Pri rotaciji diska dobimo pulze [2, 10].
Optični kodirniki delujejo analogno magnetnim. Diski so sestavljeni iz črno-belih območij.
Za senzor uporabljajo foto-diodo, ki na podlagi odboja svetlobe razlikuje črna področja od belih. Za vsako kombinacijo črne in bele barve, bodo optični senzorji sprožili pulz [2].
Na sliki 2.7 v primeru (a) ima magnetni kodirnik le en senzor. Ta zadošča za branje segmentov. Samo s tem pa ne moremo razločiti smeri vrtenja gredi motorja. V primeru (b) ima optični kodirnik nameščena dva senzorja (foto-diodi), ki sta nameščena tako, da je med njima fazni zamik. Smer vrtenja lahko ugotovimo s tem da preverimo kateri izmed senzorjev bo prej sprožil pulz. Če bo kodirnik 1 na sliki 2.7 (b) prej sprejel signal, se bo gred vrtela v smeri urinega kazalca [2].
Slika 2.7: (a) Magnetni kodirnik [10] (b) Optični kodirnik[2]
Pri mobilnih robotih je smer vrtenja koles (v ali proti smeri urinega kazalca) pomemben faktor. Zato se ponavadi odločamo za kodirnike z dvema senzorjema.
Senzorji za zaznavanje razdalje
Med najpomembnejšimi senzorji spadajo merilniki razdalje. Naprava s pomočjo teh zaznava ovire (stene in druge predmete), ki se nahajajo v prostoru. Najbolj se uporabljajo naslednje tri tipologije senzorjev: ultrazvočni, infrardeči in laserski senzor.
Ultrazvočni senzorji oddajajo akustične signale (po 1 ms) visoke frekvence (med 50 kHz in 250 kHz). Pri tem se meri čas od oddaje signala do sprejema signala. Ta čas zajema pot, ki ga zvok opravi do ovire in se nato odbije nazaj. Dobimo torej dva-kratnik merjene razdalje, kot kaže slika 2.8.
Teoretične osnove in pregled literature
12
Slika 2.8: Delovanje ultrazvočnega senzorja razdalje [2]
Ultrazvočni senzorji imajo močan sistem a hkrati lahko naletimo na nekaj težav. Odboji akustičnih signalov pod določenim kotom lahko zavedejo senzor in predstavijo objekt na daljši razdalji kot je v resnici. Drug problem nastane, če uporabljamo več senzorjev hkrati.
Zaradi interference se lahko zgodi, da nek senzor sprejme signal drugega.Tem težavam se izognemo z laserskimi in infrardečimi senzorji. Glede na to, da so laserski senzorji razdalje nekoliko večji in masivnejši, v mobilni robotiki prevladujejo infrardeči senzorji razdalje [2].
IR senzorji prožijo pulze infrardeče svetlobe s frekvenco okoli 40 kHz. Blizu emiterjev (izvora infrardeče svetlobe) se nahajajo sprejemniki (detektorji). Kot pod katerim se svetloba odbija nam določa napetost, ki jo posledično pretvorimo v razdaljo, kot kaže slika 2.9 [2].
Slika 2.9: Princip delovanja infrardečega senzorja razdalje [2]
Človeško oko ne zaznava infrardeče svetlobe. Njihovo delovanje pa lahko preverimo z uporabo kamer, ki so na tovrstno svetlobo občutljive. Slaba lastnost IR senzorjev je določanje razdalje oddaljenih predmetov. Izhodna napetost, ki jo dobimo iz senzorja se z oddaljevanjem od predmeta manjša in težko opredelimo točno razdaljo [2].
2.2.3 Aktuatorji
Aktuatorji so naprave, ki pretvorijo moč (npr. električno) v linearno ali rotacijsko gibanje.
Poznamo tri vrste aktuatorjev: električne, hidravlične in pnevmatske. Električni se
Teoretične osnove in pregled literature
13 uporabljajo za premikanje mehanskega dela mehatronskega sistema. Pogosti električni aktuatorji so: DC motorji, koračni motorji in stikala. [8]
2.2.3.1 Enosmerni elektromotorji
Enosmerni elektromotorji (angl. Direct Current Motors) ali DC motorji se veliko uporabljajo v mobilni robotiki. V večini primerov jih napajamo z baterijami preko enosmernega toka.
Imajo dovolj moči in navora, da zadoščajo za premikanje robotov z diferencialnim pogonom.
Sestavljeni so iz fiksnega dela, statorja, in iz rotirajočega dela, rotorja. Uporabljamo jih zaradi lahkega nadzora hitrosti, položaja in torzije. Njihova struktura je lahko zelo kompaktna in v splošnem imajo nizko ceno na trgu [2].
Ko gradimo mehanski del robota, moramo izbrati ustrezen sistem motorja. Ta zajema:
‐ DC motor,
‐ prestavno razmerje,
‐ optične ali magnetne kodirnike [2].
Prestavno razmerje skupaj z resolucijo kodirnika določata natančnost merjenja obratov izhodne gredi motorja. Za primer si lahko predstavljamo DC motor s prestavnim razmerjem 1:30. Na vhodno gred namestimo kodirnike, ki sprožijo 12 pulzov na vsak obrat. Za vsak obrat izhodne gredi elektromotorja, lahko na ta način dobimo 360 pulzov, kar pomeni da lahko razločimo vsako stopinjo zasuka gredi.
Na sliki 2.10 je prikazan shematski princip delovanja enosmernega motorja. Vsak motor ima določeno upornost R in navitje v obliki tuljave L. Napetost U bo sprožila električni tok i [A]
skozi motor. Preko tega dobimo navor gredi motorja (Mmotorja). Izhodni navor (Mizhodni) pa je odvisen še od vztrajnostnega momenta J [2].
Slika 2.10: Princip delovanja DC motorja in izhodne veličine [2]
Vrtilni moment na motorju je enak produktu toka i, ki teče skozi motor in navorne konstante KM:
𝑀motorja= 𝑖 ∙ 𝐾M (2.20)
Teoretične osnove in pregled literature
14
Pomembno je, da izberemo motor s primerno izhodno močjo. To definiramo kot produkt med izhodnim navorom (Mizhodni) in vrtilno hitrostjo gredi ω:
𝑃izhodna= 𝑀izhodni∙ 𝜔 (2.21)
Vhodna moč na motorju (Pvhodna) pa je odvisna od vhodne napetosti U in toka i, ki teče skozi motor.
𝑃vhodna= 𝑈 ∙ 𝑖 (2.22)
Za vsak motor je znan tudi izkoristek η. Tega izračunamo po enačbi (2.23).
𝜂 =𝑃izhodna
𝑃vhodna =𝑀izhodni∙ 𝜔
𝑈 ∙ 𝑖 (2.23)
Treba se je zavedati, da se izkoristek razlikuje glede na hitrost motorja.
Poleg tega je treba upoštevati še inducirano napetost Uind, ki nastane pri gibanju vodnikov po magnetnem polju. Električni tok lahko poenostavimo po enačbi (2.24).
𝑖 =𝑈ind 𝑅 +𝑈
𝑅 (2.24)
Pomemben je tudi kotni pospešek α, pri katerem upoštevamo navorno konstanto KM in masni vztrajnostni moment J.
𝛼 =𝑑𝜔 𝑑𝑡 =𝐾𝑀
𝐽 ∙ 𝑖 −𝑀izhodni
𝐽 (2.25)
Z naraščanjem navora na gredi, hitrost linearno pada, tok pa se linearno povečuje. Največjo moč dosežemo okoli srednje vrednosti navora. Najboljši izkoristek pa dobimo takrat, ko je vrtilni moment motorja čimmanjši [2].
2.2.3.2 H-mostič
Pri krmiljenju motorjev želimo nastavljati hitrosti naprej in nazaj. To vrsto nastavitev nam poenostavi H-mostič. Gre za vrsto integriranega vezja, ki omogoča vrtenje motorja v obe smeri. Z mikrokrmilnikom enostavno krmilimo H-mostič in posledično motor. Ne moremo pa priklopiti motorja direktno na krmilnik. Stikala na sliki 2.11 so izvedena s tranzistorji. V osnovnem stanju so vsa odprta, kar pomeni da ne prepuščajo električnega toka skozi motor.
Črki a in b opisujeta pole motorja. Motor lahko vrtimo v dve različni smeri, in sicer v smeri urinega kazalca ali v obratni smeri urinega kazalca, kot kaže slika 2.12.
Teoretične osnove in pregled literature
15 Slika 2.11: Shematski prikaz H-mostiča [2]
Za pretok električnega toka je potrebno, da sta zaprti po dve stikali. V primeru, da zapremo le stikali S1 in S4 ali pa stikali S3 in S2, bomo dobili kratek stik. Vrtenje motorja ustavimo tako da nastavimo napetost na mikrokrmilniku na 0 [2].
Slika 2.12: Kombinacije stikal glede na smer vrtenja DC motorja [2]
Integrirano vezje L293D je tipičen primer izvedbe dvojnega H-mostiča. Vezje omogoča istočasno krmiljenje dveh DC motorjev. Izhodni tok sega od 600 mAh do 1,2 A. Pri višjih električnih tokovih moramo zato uporabljati druge izvedbe vezja [8].
2.2.3.3 Multiplekser
Multiplekser je kombinatorno vezje. Pojavlja se v oblikah integriranega vezja z več vhodnimi in izbirnimi priključki ter z enim izhodnim priključkom. Uporabljamo ga za priključitev večjega števila senzorjev. Vezje deluje tako, da z izbiro binarnega števila določimo vhod, ki ga želimo upoštevati pri krmiljenju. Krmilimo torej izhodni priključek, ki je povezan z izbranim [9].
Teoretične osnove in pregled literature
16
Slika 2.13: Shema 4-kanalnega multiplekserja [9]
Na sliki 2.13 so prikazani štirje vhodi. Lahko si jih predstavljamo kot štiri led diode.
Posamezno diodo izbiramo s priključkoma x1 in x0. Izbor izvedemo z nastavljanjem napetosti na največjo (zapisana z logično številko 1) ali najmanjšo (zapisana z logično številko 0) vrednost. Izhod Y pa predstavlja priključek, s katerim upravljamo led diodo.
Kombinacije za primer na sliki 2.13 so prikazane v preglednici 2.2 [9].