Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Projecto de Automação Scanner 3D para...
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Universidade de AveiroDepartamento de Engenharia Mecânica
Projecto de Automação
Scanner 3D para Aplicações em Modelação e Navegação
Autor: Miguel Dias Orientador: Prof. Dr. Vítor Santos
Objectivos
• Concepção e implementação de um sistema de percepção 3D com base num sensor 2D;
• Desenvolvimento da estrutura mecânica adequada;
• Selecção e implementação de uma interface standard de comando (RS232, USB, ou outra);• Concepção da unidade de controlo (hardware/software) do sistema;
• Estudo da influência da dinâmica do movimento sobre desempenho do sensor original;
• Desenvolvimento de software base para aquisição 3D.
Principais Componentes a Utilizar(Já existentes no
laboratório)
Motor passo a passo
Laser (Sick LMS200-30106 - modelo indoor)
IntroduçãoComo é que se realiza a concepção e implementação de um sistema de percepção 3D com base num sensor 2D?
Varrimento num plano
Como chegar à 3 dimensão?
Aquisição linear Aquisição rotacional
• Permitir que o laser efectuasse scan’s de 270º, sem que nenhuma parte mecânica interferisse na leitura e obtenção dos dados;
• Ter resistência mecânica para suportar o laser bem como o seu movimento;
Estrutura Mecânica
No desenvolvimento da estrutura mecânica tomou-se em conta que esta tinha que:
• Servir de suporte do motor bem como da placa de controlo e todo o hardware associado a esta.
Varrimento na Horizontal
Varrimento na vertical
Colocação do sensor
• Melhor na detecção de obstáculos verticais (pilares, portas, etc.).
• Aproveitamento total do campo de visão do laser;
Possibilidades estruturaisAlgumas das estruturas estudadas
• Não permitiam um aproveitamento total do campo de visão do laser;
Possibilidades estruturais
Solução final
Deslocamento máximo = 0,0034mm
Tensão máxima = 0,7319MPa
Estudo Dinâmico da Estrutura(Força vertical de 60N em cada um dos apoios de
Alumínio)
ced = 2,76x107 Pa
R
F
Binário máximo do motor = 1,2NmMassa do sensor =
4,5KgR = 79,5mm
M=79,5x10-
3x4,5x9,8=3,51N
m
Relação de transmissão:
nx1,2 ≥ 3,51 n ≥ 2,93
Valor escolhido: n = 5 Z1 = 12 (motor)
Z2 = 60 (sensor)
Rodas dentadas (5mm passo,10mm largura)
Selecção de componentes mecânicos(Rodas dentadas)
Selecção de componentes mecânicos(Correia plana dentada)
d1 = 94,65mmd2 = 18,25mm210,09mm≤ a ≤
218,04mm
L = 2a + /2 (d2 + d1) + 1/4a (d2 + d1)^2
Lmin = 604,47mm
Lmax = 620,37mm
Correia plana dentada escolhida:
10x610mm, 5mm passo
Carta de potência
PLC Mitsubishi FX2N-16MR-DS
Carta FX2N-1PG Pulse Generator Unit
Motor passo a passo
Foi abandonada visto que todo o conjunto se revelava pouco compacto, bastante volumoso, caro e não possuía realimentação da posição do sensor.
Solução Inicial(Primeiro teste para validar a abordagem)
Hardware
Medição da Posição Absoluta do Sensor
Hardware
Potenciómetro
Uma das formas encontradas para fazer a medição da posição absoluta do sensor, foi a da utilização de um potenciómetro de 3 voltas.
Solução Final
Hardware
Tomando em conta que a escolha do microcontrolador que iria substituir o PLC teria que satisfazer os seguintes requisitos:
• Gerador de PWM para controlo do motor;
• Porta de comunicação série;
• Possuir entradas analógicas e I/O digitais;
• Memória interna para guardar o programa de controlo;
• Temporizadores;
• “Interrupts”;
• Fácil programação;
• Software de desenvolvimento económico;
• Informação disponível (manuais, etc.);
• Custo (ser um microcontrolador económico).
Solução Final (continuação)
Hardware
O que é um PIC? • CPU RISC de alto desempenho, concebido em torno da arquitectura Harvard.
Após alguma pesquisa, quer em livros quer na Internet, sobre circuitos para controlo de motores passo a passo e de microcontroladores, optou-se pelos microcontroladores PIC da Microchip. O PIC utilizado para substituir o PLC foi o modelo 16F876 (visto que preenchia todos os requisitos atrás referidos).
Solução Final (continuação)
Hardware
Principais características do PIC16F876
Solução Final (continuação)
Hardware
Comunicação RS232Fonte alimentação
Microcontrolador e divisor de frequênciaGerador de pulsos e
circuito de potência
Aspecto final da placa de controlo
Solução Final (continuação)
Hardware
A placa desenvolvida, é uma solução mais elegante e menos volumosa que a solução inicial.
Programação do PIC
Software
Software de controlo da placa electrónica foi totalmente escrito em linguagem C e compilado com um compilador da HI-TEC® próprio para PIC’s.
Programação do PIC
Software
Alguns exemplos da programação
#include <pic.h>TRISA=0b00011001; /* RA0,RA3,RA4 input, RA1,RA2 e RA5, output, (0=output, 1=input) */TRISB=0b00000001; /* RB0 input, RB1..RB7 outputs */TRISC=0b10000000; /* RC7 input, RC0..RC6 output */
SPBRG = 129; /* BR=9600 (9600=129, 19200=64, 38400=32, 57600=21, 115200=10, 250000=4)*/BRGH = 1; /* BR high speed (BRGH=0, Low Speed)
*/SPEN = 1; /* Serial Port Enable (SPEN=0, Serial Port Disable)
*/TXEN = 1; /* Transmit Enable (TXEN=0, Transmit Disable) */ CREN = 1; /* Continuous Reception Enable (CREN=0, Disables Continuous Reception) */RCIE = 1; /* Enables the USART receive interrupt */
Programação das portas do PIC
Programação da USART (Comunicação RS232)
Programação do PIC
Software
Configuração da ADC para Leitura da Posição Vertical (Inclinação)
10K/1080º 9,3/º resistência por cada grau que o potenciómetro roda.
R = 10K e percurso angular = 1080º.
Vref + = 3,9V, externa (visto que valor máximo ADC = 3,7V).Vref - = 0V, interna.
Resolução ADC = 10bits.
i = 5V/10K = 0,5 mA intensidade que percorre o potenciómetro.
3,9V/210 = 3,81mV variação de tensão mais pequena que a ADC detecta.
(7,62/9,3/º)/3 = 0,27º erro de posicionamento do laser.
3,81mV/0,5mA = 7,62 resistência mínima para fazer variar a ADC de um valor.
Programação do PIC
Software
Diagrama de blocos da inicialização da placa controladora
Programa de controlo
Software
Mensagens a enviar para a placa de controlo
Todas as mensagens enviadas para a placa de controlo têm 8 bits. Comunicação fácil e de rápida implementação.
Processamento e aquisição de dados
FTP
LINUX + acquire
Windows + FTP server
Telnet
Posição Laser
Ordem RS232 9600baud
Dados Laser RS422 – 500Kbaud
Visualização dos dados
ADC
Alguns resultados obtidos
Velocidade angular do laser de 3,5º/s
Velocidade angular do laser de 21,1º/s
Alguns resultados obtidos
Conclusão
• Através da análise das imagens obtidas podemos ver claramente as potencialidades do sistema construído.
• De notar que a baixas velocidades notam-se bastantes imperfeitos na representação de alguns objectos, isso deve-se ao facto de o movimento do motor não se realizar muito suavemente, fazendo com que o laser sofra vibrações.
• Todos os objectivos propostos no inicio deste projecto foram cumpridos, faltando apenas avaliar a influência da dinâmica do movimento sobre desempenho do sensor original.
• Futuramente seria interessante dotar a estrutura de um sistema de travão, que fosse capaz de bloquear o motor passo a passo em caso de falta de energia.
Agradecimentos
• Orientador Prof. Dr. Vítor Santos
• Eng. António Festas
• Todos os colegas de curso