Legatura 5
-
Upload
costy-mania -
Category
Documents
-
view
234 -
download
0
Transcript of Legatura 5
-
7/30/2019 Legatura 5
1/21
RAPORT DE NCERCRI nr. 2
Cercetri experimentale privind comanda minirobotului
-
7/30/2019 Legatura 5
2/21
2
Experimentri pe modelul unui minirobot articulat tip lan
Fiecare modul robotic este
acionat de un motor de c.c.
1331T012SR Minimotor. S-a urmrittestarea experimental a unei
articulaii robotice, pentru deplasarea
robotului prin trre. De interes sunt:
variaia n timp a poziiei i vitezelor
elementelor componente, precum i
semnalul de comand generat de
ansamblul hardware-software asociat.Determinrile experimentale
au fost realizate n toate situaiile
caracteristice descrise de modelele
teoretice, respectiv atunci cnd ncrcarea variabil a articulaiilor a parcurs domeniile cele
mai defavorabile. Pentru determinri au fost necesare urmtoarele:
- robotul mobil trtor cu articulaii acionate cu motoare de c.c. (fig.2);
- stand de experimentare cu un osciloscop Fluke PM3370A pentru analizareasemnalului de comand de la placa de comand a micrii (7344 - NationalInstruments);
- un program realizat n limbajul de programare grafic LabVIEW, care comand odeplasare cu poziie impus, msoar poziia i viteza articulaiei motoare cu ajutorul
traductorului incremental propriu i le reprezint grafic; irurile de valori astfel
determinate sunt salvate ca fiiere de date pentru a putea fi folosite ulterior.
- un program MATLAB pentru importarea i reprezentarea grafic a datelor demsurare din programul LabVIEW.
Fig.1 Modelul laului robotic modular
Fig.2. Structura robotic
-
7/30/2019 Legatura 5
3/21
3
n fig.3 este prezentat programul cu ajutorul cruia au fost realizate determinrile
experimentale.
Programul pornete prin iniializarea parametrilor cu privire la numrul axei, poziia
a)
b)
Fig. 3. Programul de testare comanda_o_axa_teste.via) panoul frontal; b) diagrama bloc
-
7/30/2019 Legatura 5
4/21
4
int, viteza maxim, iniializnd n acelai timp i un cronometru. Apoi este pornit motorul,
citindu-se la intervale regulate (n cazul de fa 60 ms, reglabil la alegere n funcie de
rapiditatea sistemului) poziia i viteza curent. Viteza curent putea fi determinat prin
msurarea frecvenei semnalelor de la traductorul incremental al motorului, sau prin
raportarea diferenei dintre dou poziii succesiv citite la timpul dintre aceste dou citirideterminate de cronometru. Deoarece n prima variant ar fi fost necesar utilizarea unui
circuit suplimentar de numrare s-a optat pentru cea de a doua variant. Valorile astfel
obinute pentru vitezi poziie ntre nceputul micrii i oprire sunt reprezentate grafic n
LabVIEW i n acelai timp salvate n fiiere text de structur cunoscut compatibil cu
fiierele de date Matlab. S-a urmrit ca aceste fiiere text s poat fi importate n Matlab
pentru realizarea comparaiei ntre rezultatele teoretice i experimentale.
Experimentele au fost realizate asupra axei cele mai solicitate, fiind considerate 2cazuri, i anume, unul cu vitez impus mici altul cu vitez impus mai mare, pentru a
putea fi observat comparativ cum rspunde mecanismul la aceste comenzi.
Alegerea parametrilor regulatorului PID s-a realizat cu ajutorul metodei Ziegler
Nichols, metoda direct de calibrare a acestor parametri, bazat pe ani de experien n
controlul proceselor. Ea const din:
- alegerea la nceput a modului de lucru proporional. Se crete ncet coeficientulde proporionalitate kp, pn cnd viteza (variabila controlat) devine oscilatorie. Se
regleaz apoi fin coeficientul de proporionalitate pn cnd rspunsul obinut este o
oscilaie continu (ko). Se noteaz frecvena acestor oscilaii, fo.
- se stabilesc valorile coeficienilor dup relaiile:06kkp = [N.m/s]; pi kfk 02= [N.m/(rad.s)];
08f
kk
p
d = [N.m.s/rad]
inndu-se cont c pentru placa de comand micare 7344 de la National Instruments,
coeficienii regulatorului PID se exprim discret, cu o rezoluie pe 16 bii, acetia au valori n
plaja 0 65535. n cazul concret considerat, au fost calibrai coeficienii: kp=5700; kd=5000;
ki=1100.
-
7/30/2019 Legatura 5
5/21
5
Cazul I
Articulaia motoare testat a fost 2 (fig.2). Coeficienii regulatorului PID calibrai au
fost: kp=5700; kd=5000; ki=1100. Viteza maxim impus elementului conductor a fost de
80 rpm, iar acceleraia 100 rps/s.
Fig.5. Viteza pentru deplasare 0-1075impulsuri
Fig.6. Deplasare 0-1075 impulsuri
Fig. 8. Deplasare 1075-0 impulsuri
Fig.4. Tensiunea de comand furnizat de placa 7344
Fig.7. Viteza pentru deplasare 1075-0impulsuri
-
7/30/2019 Legatura 5
6/21
6
Pentru comanda de deplasare cu 1075 impulsuri, tensiunea de comand dat de placa
7344 este prezentat n fig.4., iar viteza i poziia au profilul din fig.5, respectiv 6. Deoarece
pentru o articulaie, sarcina este diferit n funcie de sensul de micare (un segment se ridic
sau mpinge n suportul de deplasare) a fost investigati comportarea n cazul acionrii n
sens opus (cu 1075) (fig.7. i 8).Se constat c tensiunea de comand atinge un maxim de 7,6V, iar profilul de vitez
trapezoidal are un maxim de vitez de 0,1948 rad/s (79,98 rpm). Poziia int este atins n
4,4 s.
Cazul I1
Articulaia motoare testat a fost aceeai, dar au fost schimbate valoarea vitezei la 200
rpm i a acceleraiei la 200 rps/s. Tensiunea de comand (fig.9) atinge un maxim de 10V, iar
viteza (fig.10) atinge maximul de 0,487 rad/s (199,97 rpm). Timpul de atingere a poziiei intscade la 1,7 s (fig.11). n fig.12 i 13 sunt reprezentate determinrile pentru cursa de revenire
la poziia iniial, cu aceeai parametri.
Fig.9. Tensiune de comand furnizat de placa 7344pentru cazul II
Fig.10. Viteza pentru deplasare 0-1075impulsuri
Fig.11. Deplasare 0-1075 impulsuri
-
7/30/2019 Legatura 5
7/21
7
Concluzionnd, acestea au fost experimente n sarcin, pentru articulaia motoare cea
mai solicitat. S-a fcut uz de echipamentele de comand (PC i placa de I/O cu circuit DSP)
i de traductorul incremental, propriu articulaiei. Msurrile au constat n achiziia datelor de
la traductor n timpul funcionrii normale, cu ajutorul unui program LabVIEW, conceput n
acest sens.
Modelarea i simularea sistemului de reglare a poziiei i vitezei articulaiei robotice cu
regulator PID
Pe baza modelelor dezvoltate i cu parametrii identificai experimental, a fost realizat
programul de simulare cu regulator PID, corespunztor experimentului.
Realizarea practic a
comenzii robotului mobil
trtor, implic o bucl de
reglare a vitezei, completat de
o bucl de reglare a poziiei.Se urmrete atingerea i
meninerea unei viteze
maxime impuse, anticipndu-
se poziia de la care ncepe frnarea.
Poziionarea cu regulator PID, are ca principiu schema din figura 14.
Fig.12. Viteza pentru deplasare 1075-0impulsuri Fig.13. Deplasare 1075-0 impulsuri
Fig.14..Schema de principiu a comenzii cu reacie de vitezi de poziie
-
7/30/2019 Legatura 5
8/21
8
Simularea mecanismului robotic
Program realizat pentru simularea mecanismului robotic este prezentat n fig.16. Acest
program de simulare dispune de reacie de poziie i reacie de vitez, cu regulator PID i are
funcionarea prezentat n cele ce urmeaz.
Conform unui profil trapezoidal de vitez (fig.15), dac se dau: poziia int impus , viteza
maxim impus max , acceleraia acc , deceleraia decel i totalt ,atunci timpul de accelerare
esteacc
at
max= , timpul de frnare
decel
ft
max= i timpul de regim faoregim tttt = . tiind c
2max a
acc
t=
, regimregim t= max i frregimaccimpus ++= , se poatecalcula pragul de poziie:
decelimpusfrimpusregimacc
2
2max
==+ , de la care trebuie s nceap frnarea. Att timp ct
acest prag nu este depit, programul ruleaz cu reacie de vitez, aducnd i meninnd apoi
viteza la valoarea impus. n momentul atingerii pragului de poziie, programul comut pe
reacia de poziie, ncepnd frnarea.
Condiiile n care a fost realizat simularea au fost: int 1075 de impulsuri (0.8 rad),
vitez maxim la axa motoare 0,2 rad/s, accelerare maxim posibil (adic practic fr
acceleraie impus). S-au utilizat valori fizice ale coeficienilor regulatorului PID, n
coresponden cu cele discrete din programul de comand a plcii (kp =0,01 N.m/rad; ki =
0,002 N.m.s/rad; kd = 0,01 N.m/(rad.s). Rspunsul sistemului este prezentat n fig.7.27
(poziie) i 7.28. (vitez).
Fig.15. Profil trapezoidal de vitez
-
7/30/2019 Legatura 5
9/21
9
Rspunsul sistemului este prezentat n fig.17 (poziie) i 18 (vitez).
Analiza comparativ a rezulatelor teoretice i experimentale
Valorile obinute n cazul determinrilor experimentale au fost comparate cu
rezultatele teoretice ale simulrilor. Comparaia a fost realizat n Matlab prin reprezentarea,
pe acelai grafic, a rezultatelor obinute pentru deplasare (fig.19), respectiv vitez (fig.20).
Fig.16. Modelul mecanismului robotic cu bucl de vitezi poziie,
Fig. 17. Rspunsul n poziie almodelului mecanismului robotic cu
bucl de vitezi poziie
Fig. 18. Rspunsul n vitez almodelului mecanismului robotic cu
bucl de vitezi poziie
-
7/30/2019 Legatura 5
10/21
10
Se poate observa c, datorit impunerii unui profil de vitez trapezoidal i
neliniaritii pronunate a ecuaiilor utilizate, ntre caracteristicile de poziie apare o diferen
prin ntrzierea caracteristicii teoretice, fa de cea experimental. Aceasta se explic prin
faptul c placa DSP lucreaz digital i creeaz o forare n tensiune, pe fiecare perioad de
eantionare, care nu poate fi reprodus de sistemul analogic simulat. Din acelai motiv,palierul vitezei de regim este neuniform. n cazul teoretic ar fi fost dificil de lucrat cu
regulator PID digital n Matlab/Simulink, n condiiile unui model neliniar nereprezentabil
prin funcii de transfer sau ecuaii liniare de stare.
Caracteristicile teoretice de vitez se abat de la forma trapezoidal, deoarece sistemul
controlat este neliniar.
Rezultatele simulrilor efectuate aratat
o bun concordan, n limitele a 9-12%, cucele obinute prin determinrile experimentale
corespunztoare cazului de comand analizat.
Fig. 19. Comparaie ntre poziia obinut
teoretic i experimental pentrumecanismul robotic cu bucl de vitezi
pozi ie
Fig. 20 Comparaie ntre viteza obinutteoretic i experimental pentru mecanismul
robotic cu bucl de vitezi poziie
-
7/30/2019 Legatura 5
11/21
11
Testarea comunicatiei n standard Zigbee cu module WN (produsein Romania de firma Cores)
1. Principiul de funcionare a modulelor de comunicaie WN
Fiecare tehnologie wireless care penetreaz pe pia servete unui anume scop sau funcie.
Bluetooth i USB wireless ofer o conectivitate de mic raz de aciune n ceea ce se poate
numi PAN (personal-area network). Bluetooth ndeplinete rolul de sistem de comunicaie cu
raz mic de aciune, vitez moderat, cu scop de nlocuire a comunicaiei prin fire, iar USB
wireless ofer conectivitate rapid de mare vitezi mic distan ntre diferite dispozitive.
Wi-Fi este dedicat reelelor locale (LAN) i WiMAX este destinat pentru WAN (wide-area
networking) sau MAN (metropolitan-area networking).
Tehnologia ZigBee umple nc o ni n comunicaia fr fir. Ea reprezint o tehnologie PAN
bazat pe standardul IEEE 802.15.4. Spre deosebire de dispozitivele Bluetooth sau USB
wireless, dispozitivele ZigBee au capacitatea de a forma o reea de tip mesh ntre noduri.
Aceasta permite ca raza mic de aciune a unui nod din reea s fie expandati multiplicat,
acoperind o zon mult mai mare. O reea ZigBee poate conine mai mult de 65000 de noduri
(dispozitive active). Suplimentar, fiecare dispozitiv poate opera ani de zile cu o singur
baterie AA, datorit consumului energetic foarte redus.
Modulele WN sunt produse de firma romneasc CORES (www.cores.ro). Pentru
comunicaie sunt disponibile dou categorii de dispozitive ZigBee ce pot opera n configuraie
stea:
Coordonator de reea ZigBee - funcioneaz asemntor unui router, care genereazautomat formarea unei reele.
Dispozitiv final ZigBee noduri de msurare achiziie i transmisie de date de la/ctre senzori, elemente de acionare, comutatoare etc.
1) Module de msurare (comunicaie):
WN-AI determinare tensiune +/-10V
WN-Curent(4-20mA)
WN-DIO linii digitale TTL
WN-CNT numrtor pe 32-biiWN-RLY releu
-
7/30/2019 Legatura 5
12/21
12
2) Module de coordonare
WN-Ethernet
WN-USB
3) Module senzoriale (in dezvoltare)
WN-Temperatur
WN-Acceleraie, vibraii
WN-Presiune
WN-Umiditate
Pot fi dezvoltate numeroase aplicaii pentru utilizarea echipamentelor WN, att n limbajul deprogramare grafic LabVIEW, ct i n C. Controlul echipamentelor va fi realizat de ctre un
calculator. Versiunea curent a echipamentelor WN permite lucrul cu LabVIEW 8.0.
2. Descrierea i configurarea modulelor WN
Pentru testarea posibilitii de comunicaie de date au fost selectate, ca fiind minimul necesar:
un dispozitiv coordonator de reea WN USB i un nod WN-DIO cu linii digitale TTL, i
driver WN pentru LabVIEW i software LabVIEW.
-
7/30/2019 Legatura 5
13/21
13
2.1. Modulul coordonator WN-USB
Modulul WN-USB este un
router, sau o interfa ntre
nodurile WN i PC. El are dou
funcii:1) S trimit/recepioneze
datele wireless 802.15.4
ctre/de la nodurile WN
2) S trimit/recepionezedatele ctre/de la PC
prin portul USB.
Exista dou variante posibile de dispozitive, i anume cu raz scurti raz lung de aciune,
cel de-al doilea avnd dezavantajul antenei care mrete gabaritul.
modul cu raz scurt de aciune, dispunnd de o anten interioar, cu o putere de emisie de
1 mW, capabil de a comunica maxim pn la 30 m n incinte i 100 m n exterior;
modul cu raz lung de aciune, dispunnd de o anten exterioar, cu o putere de emisie de
60 mW, capabil de a comunica maxim pn la 100 m n incinte i 1,6 km n exterior.
2.2.Modulul WN-DIO
Modulul WN-DIO este un modul de
achiziie de date, care ofer 4 (n
aceast variant) linii de intrare/ieire
digitale compatibile TTL. WN-DIOpoate citi/scrie date binare de la/ctre
liniile digitale DIO0, DIO1, DIO2 i
DIO3 i comunic wireless cu
modulul coordonator.
-
7/30/2019 Legatura 5
14/21
14
DIO Specificaii intrare
Tip intrare................................................. Trigger Schmitt
Nivel intrare.................................................TTL, CMOS
Protecie pe intrare..........................................47V
DIO Specificaii ieire
Tip ieire.................................................Open Collector
Tensiune ce poate fi meninut pe ieire......VCE 40V
Curent de ieire (pe o singur ieire.............Max 500mA/canal
Sarcin 50% 4 Ieiri 180mA/canal
Protecie pe ieire..47V
Intrri/ieiri digitale
Capacitatea de intrare/ieire a modulului WN-DIO este implementat pe baza unor linii I/O de
uz general ale unui microcontroler, la care sunt adugate circuite de condiionare semnal.
Modulul WN-DIO nu necesit accesorii de tip cablu sau conector. Energia necesar poate
proveni de la o baterie sau de la un adaptor AC.
Comunicaie
Capacitatea de comunicaie a modulului WN-DIO este implementat prin utilizarea
protocolului ZigBee/IEEE 802.15.4. Transmisia radio opereaz cu ISM 2,4 GHz, necesitnd
un nivel energetic redus i oferind sigurana comunicaiei ntre dispozitive. i n acest caz
exist dou variante: cu raz mici cu raz mare de aciune.
2.3. Configurare hardware
Nodurile WN sunt configurate anterior aplicaiei. Parametrii precum: tipul modulului,
denumire (n apicaie) i adresa pot fi declarai prin utilizarea utilitarului WNE (Wireless
Nodes Explorer). La nevoie configurarea poate fi realizati n cadrul aplicaiei LabVIEW.
a) In meniul Settings se alege opiunea Add Coordinator ce permite selectarea tipului de
modul de coordonare utilizat.
-
7/30/2019 Legatura 5
15/21
15
b) Tipul de modul coordonator n acest caz este WN-USB i este asociat cu portul COM4
c) Recunoaterea faptului c modulul coordonator este
recunoscut i se poate lucra cu el este dat de apariia n
stnga sus a denumirii acestuia.
-
7/30/2019 Legatura 5
16/21
16
d) n mod similar se alege opiunea Add Node, la care se declar nodul DIO cu adresa sa si
denumirea sa n aplicaie.
e) Pentru configurare i testare se poate utiliza interfaa pus la dispoziie de WNE. Se poate
stabili ca toate liniile digitale s fie configurate ca intrri sau ca ieiri, sau o parte s fie intrri,
iar celelalte ieiri.
-
7/30/2019 Legatura 5
17/21
17
2.4. Programare n LabVIEW
Pentru realizarea unor programe de comand a modulelor WN n limbajul de programare
grafic LabVIEW, este necesar instalarea unor biblioteci de funcii specifice, care fac mai
simpl programarea (i dup caz i configurarea) acestor dispozitive.
Principalele funcii LabVIEW ce pot fi utilizate sunt:
a. Read digital Portcitirea liniilor digitale ale modulului WN-DIO
Nume funcie: WN_DIOReadPort
Reprezentare grafic:
Parametrii de ieire:
Valoare port matrice binar format din strile liniilor portului.
b. Write to digital Portscrie pe liniile digitale ale noduluiWN-DIO
Nume funcie: WN_DIOWritePort
Reprezentare grafic:
Parametrii de intrare:
Valoare port matrice binar format din valorile ce urmeaz s fie scrise pe portul digital.
c. Configurare liniei/portului digital a nodului WN-DIO
Nume funcie: WN_DIOConfigure
Reprezentare grafic:
Parametrii de intrare:
Mod de configuraie
Implicit = 0000 (toate liniile sunt configurate ca ieiri).
Valori posibile: (0=ieire; 1=Intrare; ordine linii: 3,2,1,0)
d. Citire linie digital a nodului WN-DIO
Nume funcie: WN_DIOReadLine
-
7/30/2019 Legatura 5
18/21
18
Parametrii de intrare:
Linia de intrare linia portului ce urmeaz s fie citit.
Valoare implicit = 0
Valori posibile: 0,1,2,3
Parametrii de ieire:
Valoare linie(Bin) valoarea citit de pe linia digital.
0= TTL 0V
1=TTL +5V
e. Scrie pe o linie digital a nodului WN-DIO
Nume funcie: WN_DIOWriteLine
Parametrii de intrare:
Linia de ieire linia portului ce urmeaz s fie scris.
Valoare implicit = 0
Valori posibile: 0,1,2,3
Parametrii de ieire:
Valoare linie(Bin) valoarea scris pe linia digital.0= TTL 0V1=TTL +5V
f. Adugarea unui nod WN-DIO
Nume funcie: WN_AddNode
Reprezentare grafic:
Parametrii funciei:
Node Type tipul nodului
Valori posibile: AI, CUR, DIO, CNT, RLY
Adresa Nodului adresa MAC
Nume nod nume nod utilizat n aplicaii
g. terge nodul WN-DIO din aplicaie
-
7/30/2019 Legatura 5
19/21
19
Nume funcie: WN_DeleteNode
Reprezentare grafic:Parametrii funciei:
Node Alias nume nod
3. Testarea comunicaiei cu ajutorul modulelor WN
Testarea comunicaiei este realizat cu modulul ce dispune de 4 linii digitale. Exist varianta
realizrii unui program pentru transmiterea i recepionarea pe 4 bii, dar cu dezavantajul c,
permanent este necesar configurarea liniilor ca intrri i ieiri.
Programul LabVIEW comand conectarea echipamentului coordonator la nodul digital,
configurarea ca linii digitale de intrare, citirea strii liniilor, configurarea ca ieiri, generarea
unui cuvnt de 4 bii pe ieire i apoi deconectare. Dac se dorete se poate repeta succesiune
de configurare, citire, configurare scriere de cte ori va fi necesar. n figura de mai jos este
prezentat diagrama bloc i panoul frontal al acestei aplicaii. Problema este viteza redus
datorit necesitii de reconfigurare permanent a liniilor digitale n intrri/ieiri.
Lista complet cu funciile pentru comanda LabVIEW
a dispozitivelor WN
-
7/30/2019 Legatura 5
20/21
20
Pentru o mai mare vitez se poate
opta pentru utilizarea a 2 bii de
ieire i 2 de intrare, configurarea
fiind realizat o singur dat, la
nceput. Modulul coordonator poate
transmite astfel 3 cuvinte (01, 10 i
11) starea 00 fiind considerat
oprit. Se pot recepiona acelai
numr de stri ca rspuns la
cuvintele transmise. Numrul de
linii digitale va putea fi ales in
funcie de numrul de cuvinte necesar a fi transmise n aplicaia real.
Pentru testarea au fost utilizate:
- un modul de coordonare USB- un modul WN-DIO- 1 calculator portabil cu port USB- software LabVIEW- 2 baterii de 4,5V una necesar pentru alimentarea modulului digital i a douanecesar pentru simularea citirii unor date ( 2 semnale digitale)
- 2 LED-uriAplicaia urmrete comanda de la dispozitivul coordonator a 2 linii digitale
(aprindere/stingere LED-uri) i citirea strii celorlalte dou linii ca rspuns.
Concluzii
n ambele situaii s-a putut realiza comunicaia dintre modulul coordonatori modulul
digital. Modulul coordonator poate gestiona multe noduri digitale amplasate eventual pe
modulele unui robot reconfigurabil, realiznd coordonarea dintre informaiile primite de la
-
7/30/2019 Legatura 5
21/21
acestea, asigurnd n acelai timp i comanda tuturor modulelor n acord cu strategiile de
micare. Mai multe teste vor putea fi fcute atunci se va stabili structura exact robotic i
obiectivele principale legate de sarcini, dimensiuni, viteze.
Avantajele principale: sunt legate de: transmisie sigur, consum energetic redus,
posibilitatea de utilizare rapid a limbajului de programare grafic LabVIEW.
Dezavantaj principal: modulul coordonator nu poate comanda dect un singur nod la
un moment dat, lucru de care va trebui inut cont la o eventual utilizare n gestionarea
micrilor unui robot mobil.