2. Описание конструкции

Рис. 5. Общий вид конструкции

Конструкция представляет собой корпус, на котором закреплен пневмоцилиндр (1), баллон со сжатым воздухом (2), пневмораспределитель (3) и электропневматический преобразователь (4). На конце штока закреплена колесная платформа (5).

В дальнейшем планируется оснастить конструкцию приводами (для приведения в движение колес робота), а также системой машинного зрения (для нахождения и отслеживания препятствий), после чего появится возможность оценивать высоту преград, встречающихся на пути движения, и, при необходимости, преодолевать их прыжком.

3. Функциональная схема

Рис. 6. Функциональная схема объекта управления

Датчик, установленный на пневмоцилиндре, измеряет текущую скорость штока и передаёт данные о ней на контроллер, где происходит сравнение их с задающим воздействием, после чего полученная ошибка, в виде управляющего напряжения, поступает на электропневматический преобразователь, который преобразует управляющий сигнал в пропорциональное по величине давление на выходе. ЭПП получает питающие давление от баллона со сжатым воздухом. Давление на его выходе, пройдя через пневмораспределитель, поступает в полость пневмоцилиндра (рис.7), приводя тем самым в движение его поршень.

Рис. 7. Пневматическая схема

При подаче напряжения на пневмораспределитель в одну из полостей пневмоцилиндра поступает воздух, находящийся под давлением, а из другой идет его свободный выхлоп, в результате чего шток выдвигается из корпуса цилиндра. При прекращении подачи питания распределительный элемент под действием возвратной пружины изменяет направление течения воздуха по пневмоканалам, ведущим к пневмоцилиндру, и шток втягивается обратно.

4. Выбор электронных компонентов Микроконтроллер

Для проектируемой ЦСАУ рационально использовать небольшой по размерам, не требующий для своей работы дополнительных микросхем окружения недорогой микропроцессор, обладающий в тоже время достаточными возможностями для решения поставленной задачи.

В качестве микроконтроллера для этой САУ был выбран микроконтроллер Atmega16(PDIP) производителя Atmel. Это - экономичный 8 битовый КМОП микроконтроллер, построенный с использованием расширенной RISC архитектуры AVR. Исполняя по одной команде за период тактовой частоты, Atmega16 (Рис. 1) имеет производительность около 16 MIPS на 16 МГц, что позволяет разработчикам создавать системы оптимальные по скорости и потребляемой мощности.

Рисунок 20. Микроконтроллер ATmega16 компании ATmel.

В основе ядра AVR лежит расширенная RISC архитектура, объединяющая развитый набор команд и 32 регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), что дает доступ к любым двум регистрам за один машинный цикл. Подобная архитектура обеспечивает десятикратный выигрыш в эффективности кода по сравнению с традиционными CISC микроконтроллерами. Atmega16 предлагает следующие возможности:

• 16 кБ загружаемой флэш-памяти;

• 512 байт EEPROM;

• 32 линий ввода/вывода общего назначения;

• 32*8 рабочих регистра;

• настраиваемые таймеры/счетчики с режимом совпадения;

• внешние и внутренние прерывания;

• программируемый универсальный последовательный порт;

• встроенный генератор,

• трехканальный ШИМ,

• встроенный аналоговый компаратор,

• 8 – канальный 10 – битный АЦП,

• сторожевой таймер.

Atmega16 является мощным микроконтроллером, который позволяет создавать достаточно гибкие и эффективные по стоимости устройства. Микроконтроллер питается постоянным напряжением 4.5-5.5В, рабочая частота 0-16 МГц.

Распиновка микроконтроллера показана на рис. 1.

Рис. 21. Микроконтроллер Atmel Atmega16.

Ниже приведено описание выводов микроконтроллера Atmega16.

VCC - вывод источника питания

GND – земля

Port A (PA7..PA0) - Порт A – 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта A имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта А будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы.

Port В (PВ7..PВ0) - Порт B – 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта В имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта B будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта B находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена.

Port C (PC7..PC0) - Порт C – 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта C имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта C будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта C находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена.

Port D (PD7..PD0) Порт D – 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта D имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта D будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта D находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена.

RESET - Вход сброса. Удержание на входе низкого уровня в течение двух машинных циклов (если работает тактовый генератор), сбрасывает устройство.

XTAL1 - Вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешнего тактового сигнала.

XTAL2 - Выход инвертирующего усилителя генератора.

AVCC – питание аналоговых частей микроконтроллера.

AREF – вход подключения источника опорного напряжения АЦП

Драйверная схема

Для управления пневораспределителем необходима установка усилителя мощности, так как уровень тока, поступающий из порта микроконтроллера слишком мал для работы пневораспределителя.

В качестве усилителя мощности будем использовать драйвер ULN2803.

Рис. 22. Драйвер ULN2803

Пневораспределитель

Для коммутации пневмоканалов необходимо использовать пневмораспределитель. Выберем пятиканальный двухпозиционный пневораспределитель V5211E4-06.

Рис. 23. Пневмораспределитель V5211E4-06

Рис. 24. Пневматическая схема

• Степень защиты электромагнитных распределителей - IP65;

• Диапазон рабочих температур распределителей: -5~60°С;

• Рабочее тело - воздух, размер пыли не более 40мкм;

• Рабочее давление - 1,5 - 8бар;

• Питающее напряжение 24 V.

Электропневматический преобразователь

Для управления давлением, подаваемым в пнемоцилиндр, необходимо использовать электропневматический преобразователь. Он преобразует величину тока входного сигнала в пропорциональное давление на выходе.

Рис. 24. Электропневматический преобразователь ER 2 04 – 9 2 AN

• Максимальное давление на входе 10 бар;

• Диапазон регулирования давления 0,5 ÷ 9 бар;

• Входной сигнал 4 ÷ 20 мА DC;

• Рабочий диапазон температур 5º C ÷ 50º C;

• Потребляемый ток не более 0.6 А;

• Питающее напряжение 24 V.

Датчик ускорения

В данной ЦСАУ системе необходимо отслеживать значения скорости штока относительно корпуса, так как именно данный параметр влияет на процесс управления. Исходя из результатов моделирования был выбран датчик ADXL330 фирмы ANALOG DEVICES. Это современный, небольших размеров, экономичный и высокоточный акселерометр, выполненный в едином корпусе. Датчик позволяет измерять ускорения величиной до ±3,6 g, с ошибкой ±1% от максимального значения. ADXL330 обладает высокой помехозащищенностью, и работает в широком диапазоне температур (-25..75 °С). Функциональная блок схема представлена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5. Функциональная блок схема ADXL 330

Рисунок 4.6. Расположение выводов ADXL 330

Таблица 4.4. Описание функций ножек

Рисунок 4.7. Внешний вид датчика ускорения ADXL330