Общее ДЗ. Испытания, наладка сельскохозяйственного квадрокоптера

• Название: Испытания, наладка сельскохозяйственного квадрокоптера
• Дата: 30.06.2022
• Размер: 0.74 Mb.
• Имя файла: Общее ДЗ.docx
• Тип: Реферат; #621285

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Колледж прикладного профессионального образования Специальность 15.02.10 Мехатроника и мобильная робототехника (по отраслям)

Домашнее задание

по теме:

«Испытания, наладка сельскохозяйственного квадрокоптера»

ПМ.02. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ, РЕМОНТ И ИСПЫТАНИЕ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ

специальность 15.02.10 Мехатроника и мобильная робототехника

Выполнили:

Студенты группы М –29

Новикова В.Р.

Заворотный И.С

Курманова А.И.

Проверил:

к.т.н, доц. кафедры ЭиМ

Полуянович Н.К

Таганрог 2022г.

Содержание

Введение 2

5

1 Анализ технического задания 5

2 Разработка структурной схемы робота-газонокосилки 6

2.1 Функционально – модульная схема 6

2.2. Структурная схема 7

3. Выбор элементов системы 8

3.1. Выбор двигателя 8

42BYGH34 10

 28YBJ-48 10

42BYGH40 10

11

Для шагового и полушагового режима (Табл. 3): 11

Таблица 3 11

3.2. Выбор драйвера 12

Рисунок 6. Драйвер L298N/2A Рисунок 7. Драйвер TB6612 13

Драйвер L298N/2A был выбран из-за того, что по сравнению с драйвером TB6612 у него более высокое напряжение, которое нам подходит из-за не малого кол-ва элементов в газонокосилке и в целом по характеристикам данный драйвер превосходит многие подобные модели. 13

3.3. Выбор датчика препятствия 13

Ультразвуковые датчики 14

Акустические датчики присутствия 14

Инфракрасные датчики присутствия 15

Радиус обнаружения (R) – основная характеристика устройства. Принцип действия приборов основан на фиксации изменений потока инфракрасных (ИК) лучей в результате перемещений человека. Его пребывание распознается по большей интенсивности (в сравнении с предметами интерьера) излучения, которое напрямую зависит от температуры тела. Основные детали датчика – фотоэлементы и мультилинза, состоящая из большого числа сегментов – маленьких линз. Каждая из них направляет попадающие в неё лучи на фотоэлемент. Двигаясь, человек оказывается в зонах контроля разных сегментов. Свет на фотоэлементе то исчезает, то появляется, генерируя электрический сигнал. 15

Ультразвуковой датчик не подходит для газонокосилки из-за того, что он будет воспринимать траву как помехи. 15

Акустический датчик присутствия не подходит для газонокосилки из-за того, что он будит воспринимать шумы от газонокосилки как препятствии. 15

Поэтому был выбран инфракрасный датчик препятствия, который в сравнении с другими датчиками имеет лишь один недостаток - неточность функционирования на открытых пространствах. 15

Подключение датчика YL-63 к Arduino. 18

Заключение 19

https://vyborok.com/rejting-luchshih-robotov-gazonoko.. 2. Robotobzor: Роботы-газонокосилки: как они устроены и как работают 20

Введение

Робот-газонокосилка – это автономный робот, предназначенный для скашивания и измельчения травы и мелкого кустарника на придорожных обочинах, склонах, железнодорожных откосах и прочих труднодоступных зонах.

Актуальность робота-газонокосилки заключается в том, что данный робот может самостоятельно косить и выравнивать газон почти бесшумно и незаметно, в отличии от ручных газонокосилок. Это очень облегчает жизнь людей и дает им больше свободного времени.

Научная новизна робота заключается в том, что предлагается вариант нового схемного решения.

Практическая значимость заключается в том, что роботизированная газонокосилка умеет не только равномерно подстригать траву, регулируя высоту в зависимости от ее состояния или от погодных условий, но и проводить аэрацию (насыщение газона кислородом). Это препятствует пересыханию почвы. Помимо аэрации устройству доступна функция мульчирования. Эта полезная способность заключается в измельчении уже скошенной травы и переработке ее в натуральное удобрение.

Уровень роботизации на сегодняшний день достаточно высок в промышленности. Это связано с тем, что выполняемые операции имеют высокий уровень повторяемости и легко реализуются в алгоритмах. Многие операции заменены автоматизированными системам. Но в сельском и жилищно-коммунальном хозяйствах уровень автоматизации недостаточно высок, и она только начинает применяться. Это связано с тем, что формализуемость задач в этих отраслях трудновыполнима. В то же время, с появлением современных алгоритмов с элементами искусственного интеллекта уровень обучаемости таких машин постоянно повышается, и объемы выполняемых работ с помощью автоматизированной робототехники будут только расти.

Автоматизация технологических процессов значительно повышает производительность труда, снижает численность рабочего и обслуживающего персонала, улучшает условия труда, повышает качество выпускаемой продукции и снижает её себестоимость, увеличивает производительность оборудования, снижает уровень брака, повышает эффективность ведения технологических процессов. Автоматизация положительно влияет на эффективность развития отраслей народного хозяйства. В сельском хозяйстве автоматизация представляет собой важный фактор, влияющий на повышение производительности труда и снижение себестоимости продукции. Основу электрификации составляет применение в работе машин, аппаратов, агрегатов и устройств на базе электрических двигателей. Таким образом, ручной труд заменяется автоматическим. Одно из устройств, применяемых в сельском хозяйстве – это роботизированная-газонокосилка.

Вся работа робокосилки происходит почти незаметно и бесшумно. Единственное доказательство того, что на участке работал робот – аккуратно и ровно подстриженный травяной покров. Хозяин газонокосилки может в любой момент остановить робота и перенаправить его на другую площадку либо изменить режим работы. Обычные модели управляются с базовой станции, а модели премиум-класса могут даже управляться с помощью смартфона из любой точки мира.

Рассматриваемые автоматизированные газонокосилки на отечественном рынке появились сравнительно недавно, но уже завоевали популярность у определенных слоев населения. Помимо своей полной автономности, они еще способны и качественно срезать траву: отработанные стебли травы не разлетаются во все стороны по участку (как у ручных бензиновых косилок), а остаются аккуратной дорожкой позади робота и в скором времени превращаются в полезное удобрение. Режущий блок у них крутится очень быстро, поэтому скошенная трава трансформируется в крайне мелкую нарезку (эффект мульчирования), соответственно, отсутствует необходимость убирать потом срезанные стебли.

Функционируют робокосилки от аккумуляторных батарей. Искусственный интеллект самостоятельно рассчитывает будущую нагрузку в зависимости от условий заданного хозяином сценария (высота травы, площадь обработки) и в случае, если ему будет недостаточно заряда, то он своевременно подъедет на базу для подзарядки, после чего продолжит выполнение программы. В то же время стоит отметить, что даже в бюджетных моделях применяются довольно мощные аккумуляторы.

Таблица 1.

1 Анализ технического задания

Согласно техническому заданию, необходимо разработать макет автоматизированного робота – газонокосилки. Разрабатываемое устройство предназначено для автоматического кошения газона на участке.

Робот - газонокосилка должен уметь передвигаться по участку, скашивать траву и распознавать границы участка и препятствия, чтобы объезжать их.

Основными функциями разрабатываемого устройства является:

• 
  определение и обхождение препятствий
  
• 
  ориентирование в пространстве
  

Робот – газонокосилка предположительно должен состоять из блока системы управления (двигатели, драйвера) и датчиков определения препятствий для их объезда.

Т. к. мы разрабатываем макет газонокосилки, то для нее не обязательно использовать энергозатратные элементы. Для двигателя достаточно напряжение 5В, следовательно крутящий момент должен быть не больше 2 Н*см.

2 Разработка структурной схемы робота-газонокосилки

2.1 Функционально – модульная схема

Устройство разрабатываемого робота представлено на структурной схеме (Рис.1);

Используя блок управления, робот настраивается за пару минут и готов косить газоны даже со сложным рельефом. Для управления роботом газонокосилкой израильская компания предусмотрела множество вариантов. В экономичных моделях режима два: автоматический и ручной.

Автоматический режим–задается площадь газона, косилка определяет требуемое время для стрижки газона. В настройках прописывается:

·       выход с базы;

·       стрижка газона;

·       вернуться на базу при малом заряде;

·       время неактивности;

·       интервал кошения и др. программы.

Ручное управление – используют для стрижки газона не по расписанию. Потребуется активировать дисплей и выполнить настройку ручного режима.

Продвинутые модели включают как вышеуказанные режимы, так и управление с девайсов.



Рисунок 1. Функционально-модульная схема.

2.2. Структурная схема

В момент включения контроллера от АКБ (аккумуляторная батарея) начинает работать прошивка, затем сигнал от контроллера через драйвер подается на двигатели, после начинает работать двигатель с лезвиями для резки газона, также контроллер начинает считывать информацию с датчиков препятствий, во время работы в памяти контроллера выстраивается карта местности, по которой косилка понимает, где она уже косила, а где еще предстоит это сделать.



Рисунок 2. Структурная схема макета робота-газонокосилки.

3. Выбор элементов системы

3.1. Выбор двигателя

Ни одно устройство не обходится без системы управления, которое включает в себя двигатели, приводящие их в движение.

Начнём с того, что двигатель — это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механический и наоборот. Эффективность данного процесса зависит от внутренней конструкции двигателя, которая в свою очередь зависит от источника тока (постоянного или переменного).

Для примера были рассмотрены два типа двигателей:

• 
  Шаговые
  
• 
  Двигатели постоянного тока
  

Для того, чтобы понять, нужен двигатель постоянного тока или шаговый, рассмотрим достоинства и недостатки обоих.
Преимущества шагового двигателя:

• 
  Низкая стоимость
  
• 
  Фланцевые крепления стандарта NEMO
  
• 
  Варианты исполнения с невысоким крутящим моментом
  
• 
  Возможность использовать простые, недорогостоящие кабели
  

В большинстве случаев применение шагового или двигателя постоянного тока продиктовано закономерностями. Если система требует высокой пропускной способности, высокой скорости и точности коррекции нарушения, с или без жесткой координации между осями, серводвигатели являются лучшим вариантом. Если же задание перемещения (точка-точка) не требует высокой точности поддержания скорости и момента шаговые двигатели являются лучшим вариантом.

Еще одним преимуществом шаговых двигателей можно назвать их простоту в проектировании и эксплуатации, так как они не имею сложных схем и алгоритмов управления обратной связью.

Исходя из этого, наиболее подходящим вариантом является шаговый двигатель, т. к. разрабатываемое устройство не предусматривает использование высокой точности поддержания скорости.

Модель	Рабочее напряжение, В	Крутящий момент, H*см	Режим шага	Угол шага двигателя, °/шаг	Диаметр вала, мм
42BYGH34	12	0.3;	полный шаг	1.8	5
28YBJ-48	5	1.6	полушаговый	11.25	20
42BYGH40	2.8	2	полный шаг	1.8	8
39HS34124	4	3,2	полушаговый	2.5	26

Сравнительная таблица шаговых двигателей. Таблица 2.
Из таблицы 1 видно, что наиболее подходящим двигателем является 28YBJ-48. Он имеет напряжение не более 5В, имеет небольшие габариты и крутящий момент, необходимый для робота-газонокосилки. Учитывая то, что газонокосилка имеет два колеса, то и двигателей необходимо тоже два. А также, нужен третий двигатель для лезвия, которое скашивает траву.



Рисунок 3. Шаговый двигатель 28YBJ-48

Рисунок 4. Принципиальная схема шагового двигателя 28BYJ-48.

Подавая сигналы в определённом порядке на выводы двигателя, двигатель можно вращать по часовой стрелке.

Для шагового и полушагового режима (Табл. 3):

Таблица 3

Контакт мотора

Фазы для полушагового режима

Фазы для шагового режима

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

Оранжевый

+

+

+

+

+

Жёлтый

+

+

+

+

+

Розовый

+

+

+

+

Синий

+

+

+

+

Чтобы подключить шаговый двигатель к Arduino, необходимо использовать драйвер. Двигатель подключается к платформе с помощью драйвера, следовательно, т. к. разрабатываемая газонокосилка имеет два двигателя, то и драйвера нужно два.

Пример подключения шагового двигателя 28YBJ-48 представлен на рисунке 5:



Рисунок 5. Подключение шагового двигателя 28YBJ-48 к Arduino.

3.2. Выбор драйвера

Выбрать драйвер намного легче, чем двигатель или датчики. В связи с тем, что в данном устройстве используются двигатели 28YBJ-48, то, чаще всего, вместе с ними используются драйвера L298N/2A (Рис. 6), которые подходят под технические характеристики двигателя.

Рисунок 6. Драйвер L298N/2A Рисунок 7. Драйвер TB6612

Технические характеристики драйвера L298N/2A:

- напряжение питания управляемой части (постоянный ток): 5-35В

- входное напряжение логической части (Vd): 6-12В

- рабочий выходной ток на канал двигателя: 2А

- максимальный пиковый ток: 3А

- максимальная потребляемая мощность: 20 Вт

- возможность использования ШИМ
Сравнительная модель и ее характеристики представлены ниже (Рис. 7):
Технические характеристики драйвера TB6612:

- напряжение питания управляемой части (постоянный ток): 3-15В

- входное напряжение логической части (Vd): 3-9В

- рабочий выходной ток на канал двигателя: 2А

- максимальный пиковый ток: 3А

- максимальная потребляемая мощность: 17 Вт

- возможность использования ШИМ
Драйвер L298N/2A был выбран из-за того, что по сравнению с драйвером TB6612 у него более высокое напряжение, которое нам подходит из-за не малого кол-ва элементов в газонокосилке и в целом по характеристикам данный драйвер превосходит многие подобные модели.

3.3. Выбор датчика препятствия

Для того, чтобы газонокосилка работала исправно и была защищена от столкновений необходимо, чтобы она могла ориентироваться в пространстве. Для этого необходимо, чтобы в ней были встроены датчики обнаружения препятствий.

Датчик препятствия – электронный прибор, регистрирующий бесконтактными методами объекты определенного класса на территории своего контроля. В зависимости от результатов регистрации он может коммутировать электрические импульсы, по сигналам которых другие устройства выполняют различного рода действия.

Существует множество видов датчиков препятствий, рассмотрим некоторые из них и определим самый подходящий:

Ультразвуковые датчики

Испускают и принимают волны, не улавливаемые человеческим ухом (частотой порядка 200 кГц).

Недостатки:

• 
  низкая дальность (верхний порог) фиксации;
  
• 
  ненадежность регистрации объектов из мягких материалов (ткань, пористая резина, трава);
  
• 
  наличие “слепой зоны” (нижнего порога обнаружения).
  

Акустические датчики присутствия

В них посредством пьезоэлектрических материалов происходит преобразование звуковой волны в электрический сигнал.

Недостатки:

• 
  необходимость использования усилителей;
  
• 
  вероятность ложных срабатываний в результате внешних и внутренних шумов (резкие звуки с улицы, включение радио, телефонные звонки, шумы самой газонокосилки).
  

Инфракрасные датчики присутствия

Радиус обнаружения (R) – основная характеристика устройства. Принцип действия приборов основан на фиксации изменений потока инфракрасных (ИК) лучей в результате перемещений человека. Его пребывание распознается по большей интенсивности (в сравнении с предметами интерьера) излучения, которое напрямую зависит от температуры тела. Основные детали датчика – фотоэлементы и мультилинза, состоящая из большого числа сегментов – маленьких линз. Каждая из них направляет попадающие в неё лучи на фотоэлемент. Двигаясь, человек оказывается в зонах контроля разных сегментов. Свет на фотоэлементе то исчезает, то появляется, генерируя электрический сигнал.

Ультразвуковой датчик не подходит для газонокосилки из-за того, что он будет воспринимать траву как помехи.

Акустический датчик присутствия не подходит для газонокосилки из-за того, что он будит воспринимать шумы от газонокосилки как препятствии.

Поэтому был выбран инфракрасный датчик препятствия, который в сравнении с другими датчиками имеет лишь один недостаток - неточность функционирования на открытых пространствах.

Т. к. робот – газонокосилка определяет препятствия с каждой из сторон, то ему необходимо подключить 4 инфракрасных датчика препятствия. Место расположения датчиков указана на рисунке 8.





Рисунок 8. Расположение датчиков препятствий.

Он применяется тогда, когда нужно определить наличие объекта, а точное расстояние до объекта знать необязательно. Датчик состоит из инфракрасного излучателя, и фотоприемника. ИК источник излучает инфракрасные волны, которые отражаются от препятствия и фиксируются фотоприемником. Датчик обнаруживает препятствия в диапазоне расстояний от нуля до установленной предельной границы. Он построен на основе компаратора LM393, который выдает напряжение на выход по принципу: обнаружено препятствие –логический уровень HIGH, не обнаружено – логический уровень LOW, данное состояние показывает и находящийся на датчике красный светодиод. Для индикации питания на датчике установлен зеленый светодиод. Датчик применяется в робототехнике для обнаружения препятствий при движении колесных или гусеничных роботов.

Технические характеристики YL-63, RM-34 указаны в (табл.4)

Таблица 4

Технические характеристики	Модель	Модель
	YL-63	RM-34
напряжение питания (В)	3.3–5	3.3–5.5
расстояние обнаружения препятствий (см)	2 – 30	2-15
эффективный угол обнаружения препятствий (°)	35	30
светодиод индикации питания	+	+
светодиод индикации срабатывания	+	+
Размеры (мм)	43 х 16 х 7	42 х 15 х 9
Потребляемый ток (мА)	8	10

Благодаря сравнению характеристик различных моделей датчиков был выбран цифровой инфракрасный датчик обхода препятствий YL-63 (Рис.9).


Рисунок 9. Датчик YL-63 Рисунок 10. Датчик RM-34

Подключение датчика YL-63 к Arduino.

Модуль имеет 3 вывода:

• 
  VCC — питание 3-5 В;
  
• 
  GND — земля;
  
• 
  OUT — цифровой выход.
  

Схема подключения датчик к плате Arduino (Схема соединений на рис. 11) 



Рисунок 11. Схема подключения датчика YL-63 к плате Arduino

Суммарные затраты на макет робота-газонокосилки предоставлены в (табл.5)

Таблица 5.

Название элемента	Количество	Цена
Инфракрасный датчик препятствий	3 шт.	1 170 руб.
Шаговый двигатель	3 шт.	780 руб.
Драйвер	1 шт.	420 руб.
Колесо	3 шт.	320 руб.
АКБ	2 шт.	1 780 руб.
Макетная плата	1 шт.	190 руб.
Провода «папа-мама»	20 шт.	100 руб.
Итог	4 760 руб.

Заключение
В процессе написания курсовой работы, была выбрана модель робота газонокосилки МС 150, по которой был разработан макет робота, приведены структурные и функциональные схемы робота. Также, был произведен выбор элементов и написаны к ним коды. Разработав структурную схему используя блок управления, можно настроить робота за пару минут, и он будет готов косить газоны даже со сложным рельефом. Был выбран инфракрасный датчик расстояния он применяется тогда, когда нужно определить наличие объекта, а точное расстояние до объекта знать необязательно. Датчик состоит из инфракрасного излучателя, и фотоприемника. ИК источник излучает инфракрасные волны, которые отражаются от препятствия и фиксируются фотоприемником. Было принято решение, что инфракрасный датчик лучше подходит под данный тип роботов т. к. его сигналы не будут рассеиваться и отталкиваться от листьев травы создавая тем самым помехи. Для подключения двигателей было принято решение использовать драйвер для задания и считывания точного количества шагов шагового двигателя.



Список источников
1. Рейтинг лучших роботов газонокосилок на 2022 год:

https://vyborok.com/rejting-luchshih-robotov-gazonoko..
2. Robotobzor: Роботы-газонокосилки: как они устроены и как работают

https://robotobzor.ru/o-robotah/roboty-gazonokosilki.html

3.  Элементы роботов-газонокосилок:

http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/47070/1/confer..
4. Выбор шагового двигателя

http://geekmatic.in.ua/vibor_shagovogo_dvigatelia

5. Подключение шаговых двигателей к платформе Arduino

https://arduinomaster.ru/motor-dvigatel-privod/shagovye-dvigateli-i-motory-arduino/
6. Технические характеристики шаговых двигателей

http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/48550/1/TPU562731.pdf

7. Выбор драйвера для робокосикол

https://www.robot72.ru/files/files/Robomow%20RS%20Manual%202014%20RUS.pdf

8. Современные промышленные технологии. Роботизированные газонокосилки:

http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/47070/1/conference_tpu-2018-C57_p8-10.pdf

9. SmartElement. Компоненты для робототехники и электроники.

https://smartelements.ru/collection/nabory/product/nabor-elektronik