К компетенциям - через инноватику

Подождите немного. Документ загружается.

Список литературы

1. ГОСТ 18322–78. Система технического обслуживания и ремонта тех-

ники. Термины и определения. – Взамен ГОСТ 18322–73; введ. 1978–11–15. –

М. : Гос. ком. СССР по стандартам, 1978. – 12 с.

2. Ведомственные строительные нормы. Положение о планово-

предупредительном ремонте и эксплуатации оборудования промышленной

базы предприятий строительной индустрии в системе Госагропрома СССР.

Ч. 1. – М., 1987.

3. Биргер И. А. Техническая диагностика. – М. : Машиностроение, 1978. –

240 с.

4. Турыгин Ю. В. Эксплуатационная эффективность бумагоделательных

машин и вариативность системы их ремонта : дис. … д-ра техн. наук :

05.21.03. – Ижевск, 1998. – 289 с.

5. Шихельман Г. Л. Рабочему о качестве металлообработки. – М. : Маши-

ностроение, 1980. - 152 с.

6. Ремонт, восстановление, модернизация : ежемес. произв., науч.-техн.

и учеб.-метод. журн. – 2006. – № 2.

7. Предприятие ЗАО «Энергосервис». URL: http://www.energyservice.ru

(дата обращения: 26.08.2009).

8. Некоммерческое партнерство «Корпорация «Модернизация и Ремонт».

URL: http://www.stanko-remont.ru (дата обращения: 26.08.2009).

9. Некоммерческое партнерство «СтанкоПрофСервис». URL:

http://www.npsps.ru (дата обращения: 26.08.2009).

О. Н. Захарова, студентка;

А. Э. Боталов, студент;

научный руководитель – канд. техн. наук, доц. Д. С. Люпа

Ижевский государственный технический университет

Управление сервоприводами посредством порта Bluetooth

на примере шагающего робота

В настоящее время в роботостроении все большее число задач

требует применения сервоприводов, обеспечивающих высокие ха-

рактеристики по точности позиционирования и жесткости. В качестве

примера рассмотрим робот с 11 сервоприводами.

Основой робота является системная плата, закрепленная на его

туловище под закрытым кожухом. Плата управляет сервоприводами

и дополнительными устройствами: к ним относятся гиросистемы,

датчики ускорения, модули синтезирования речи и другие операци-

онные устройства, такие как процессоры Bluetooth, радиопередатчики

и приемники. Также на плате расположен микроконтроллер, отве-

чающий за обработку всех программ, хранящихся в памяти, и посту-

пающих сигналов с ПК либо сенсоров.

Сервопривод – устройство в системах автоматического регулиро-

вания или дистанционного управления, осуществляющее за счет

энергии вспомогательного источника механическое перемещение

регулирующего органа в соответствии с получаемыми от системы

управления сигналами. Таким образом, меняется положение регули-

рующего органа – поток материала или энергии, поступающей на

объект действия, меняется и в результате идет воздействие на рабо-

чие машины или механизмы. Особенность сервопривода также в том,

что его работа изменяет не только состояние рабочего объекта, но

также перемещает и регулирующий орган системы.

Принцип работы сервопривода основан на принятии импульсов пе-

ременной длительности. Когда импульс длится в интервале около

0,0015 сек., сервопривод находится в нейтральном положении (облада-

ет одинаковым потенциалом вращения в оба направления). Угол пово-

рота сервопривода зависит от длительности импульса: если импульс

увеличивается, то увеличивается угловое ускорение сервопривода. При

воздействии внешних сил на сервоприводы возникают силы противо-

действия, препятствующие действию внешних сил; возникающие силы

компенсируются (сервоприводы пытаются вернуться в изначальное

положение). Крутящий момент – это и есть та максимальная сила, ко-

торую будет выдерживать сервопривод. Однако сервопривод не посто-

янно поддерживает указанное положение – для этого ему необходимы

импульсы, которых он ожидает в течение 0,02 сек. Если длительность

импульса меньше 0,0015 сек., сервопривод поворачивает вал на не-

сколько градусов против часовой стрелки и пытается зафиксировать

положение. Если же она больше, наоборот – по часовой стрелке.

В среднем для работы сервопривода необходим диапазон длительности

импульса от 0,001 до 0,002 сек. Важный параметр, характеризующий

сервопривод – это скорость вращения (время, за которое сервопривод

переходит из одного положения в другое). Сервоприводы питаются от

постоянного напряжения в пределах от 4,8 до 6 В. Обычно использует-

ся универсальный разъем, содержащий три контакта: черный – общий

провод или земля (GND), красный – напряжение питания (+Vcc), жел-

тый (или другого цвета) – управляющий сигнал.

Управляющий сигнал – это импульсный сигнал с широтно-

импульсной модуляцией (ШИМ), представляющий собой последова-

тельность прямоугольных импульсов с амплитудой 3–5 В и длительно-

стью от 0,0009 до 0,0021 сек. Номинальная периодичность следования

импульсов обычно 50 Гц (интервал – 0,02 сек.), но сервоприводы со-

храняют работоспособность и при достаточно сильном отклонении

этого параметра (15–20 %). Таким образом, скважность управляющего

сигнала очень маленькая – от 5 до 10 %. Длительность импульса и оп-

ределяет положение исполнительного механизма. Минимальное зна-

чение (0,001 сек.) означает разворот в крайнее левое (или против часо-

вой стрелки –40…–80

○

в зависимости от модели) положение, среднее

значение (0,0015 сек.) – центральное положение штока, а максималь-

ное значение (0,002 сек.) – крайнее правое (по часовой стрелке

+40…+80

○

в зависимости от модели) положение (рис. 1).

Современные сервоприводы характеризуются хорошей способно-

стью к регуляции, стабилизацией скорости и крутящего момента,

высокой динамикой и точностью позиционирования, относительно

небольшими весом и габаритами, а также большой устойчивостью

к разнообразным помехам. Благодаря своим высоким техническим

показателям сервоприводы активно используются в робототехнике.

Их использование помогает повысить функциональность роботов,

сделать их движения более плавными и четкими. Приведены некото-

рые марки сервоприводов, используемых при конструировании анд-

роидных роботов: HSR-5498SG, HSR-8498HB, Kondo KRS-768 ICS,

Sanwa ERG-VB, Sanwa SPEC-AP.

Рис. 1. Сигнал управления сервоприводом

На рис. 2 представлена схема включения таймера для управления

сервоприводом.

Рис. 2. Схема включения таймера для управления сервоприводом

Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (Industry,

Science and Medicine), который используется в различных бытовых

приборах и беспроводных сетях. Спектр сигнала формируется по ме-

тоду FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum – псевдослучайная

перестройка рабочей частоты). Метод FHSS прост в реализации,

обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам.

Согласно алгоритму FHSS, несущая частота сигнала в Bluetooth

скачкообразно меняется 1 600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабо-

чих частот, а в Японии, Франции и Испании полоса уже – 23 частотных

канала). Последовательность переключения между частотами для каж-

дого соединения является псевдослучайной и известна только передат-

чику и приемнику, которые каждые 0,000625 сек. (один временной

слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую.

Таким образом, если рядом работают несколько пар приемник – пере-

датчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также

составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой

информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму

и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче циф-

ровых данных и аудиосигнала (64 Кбит/с в обоих направлениях) ис-

пользуются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяет-

ся, а цифровые данные в случае утери пакета информации будут пере-

даны повторно. Без помехоустойчивого кодирования это обеспечивает

передачу данных со скоростями 723,2 Кбит/с, с обратным каналом

57,6 Кбит/с, или 433,9 Кбит/c в обоих направлениях.

Приемопередатчик Bluetooth может быть разделен на три функцио-

нальных блока: антенна, радиоблок, цифровой процессор. Радиоблок

содержит преобразователи вверх и вниз по ВЧ, ПЧ с полосой модули-

рующих частот, фильтр канала, модулятор/демодулятор и синтезатор

частот. Радиоблок выполняет преобразование FM-сигнала на частоте

2,45 ГГц в битовый поток и наоборот. Антенна – очень важный эле-

мент системы. Антенна должна быть всенаправленной и иметь усиле-

ние 0 dBi, присутствие пользователя не должно влиять на распростра-

нение сигнала. Чтобы реализовать простые и устойчивые приемники

и некогерентное детектирование, Bluetooth использует двоичную час-

тотную манипуляцию (ЧМ, FSK), с обкатыванием частотного скачка

Гауссовым импульсом, со скоростью 1 МБит/с. Площадь такого сигна-

ла BT = 0,5, где B – полоса, T – длительность импульса, при индексе

модуляции от 0,28 до 0,35 и длительности импульса 1 мкс. ЧМ устра-

няет потребность в АРУ, которой трудно работать при переключениях

частот, и когда данные поступают в неравномерных временных интер-

валах. Входная часть ВЧ-приемника состоит из преобразователя с по-

нижением частоты, полосового фильтра канала и частотного детектора.

Фильтр канала выделяет полосу 1 МГц, и к нему предъявляются до-

вольно высокие требования избирательности. Поскольку полоса ISM

должна быть разделена с другими системами в данной полосе, должны

быть приняты меры для предотвращения взаимодействия приборов.

Обычно приемник Bluetooth строится с преобразованием частоты вниз

(т. е. когда зеркальный канал попадает в полосу ПЧ). Для развязки ря-

дом работающих систем Bluetooth коэффициенты блокирования по

зеркальному каналу должны быть 20, 30 и 40 дБ для первого, второго

и третьего соседних каналов. Чтобы перекрыть расстояние 10 м с вы-

ходной мощностью 0 дБм, достаточна чувствительность приемника

Pмин = –70 дБм. С учетом уровня шума на входе приемника –114 дБм

(в шумовой полосе 1 МГц) и требования на выходе приемного тракта

Km = 21 дБ, для обеспечения максимального коэффициента ошибок

передачи информации BER = 0,1 % получаем, что коэффициент шума

равен 13 дБ. Эта величина рассчитывается из формулы для чувстви-

тельности:

Pмин = –174 дБм + NF + 10lgB + a + Km, (1)

где –174 дБм – мощность теплового (kTB) шума в полосе 1 Гц в нор-

мальной температуре; NF – коэффициент шума, дБ; B – полоса частот

перед демодулятором, 1 МГц; a – порог срабатывания, a = 3 дБ; Km –

коэффициент, зависящий от вида модуляции.

В состав модуля ввода/вывода Bluetooth и связанного с ним ком-

плекта разработчика входят 12 однобитовых портов ввода/вывода, не

требующих преобразования сигнала. Управление сигналами вво-

да/вывода может осуществляться с помощью последовательного про-

токола или дистанционных сигналов ввода/вывода. Выпускается ши-

рокий ассортимент аппаратных опций, таких как внутренняя/внешняя

антенна, длинный/короткий диапазон, интерфейс UART / RS-232,

а также различные коннекторы. Модуль соответствует стандартам

электромагнитной совместимости, безопасности и нормам здраво-

охранения.

Использование сервоприводов позволяет реализовывать высоко-

точное регулирование скорости вращения вала и крутящего момента,

а также осуществлять точное позиционирование с высокой повторяе-

мостью подвижных элементов машин. Результатом проведенной ра-

боты является новое сочетание вид управления – объект управления:

процессор Bluetooth – сервоприводы. Процессор Bluetooth выполняет

всю обработку цифрового потока, включая модуляцию и демодуля-

цию и в то же время является одним из способов недорогой про-

граммно-аппаратной реализации.

Список литературы

1. Спыну Г. А., Костюк В. И. Промышленные роботы. Конструирование

и применение. – Киев : Выща шк., 1985.

2. Фролов К. В., Воробьёв Е. И. Механика промышленных роботов : в 2 т. –

М. : Высш. шк., 1988.

3. Роботы и робототехника. URL: http://www.robolive.ru (дата обращения:

26.08.2009).

4. Базовая информация о сервоприводах. URL: http://vtpablos.narod.ru/

robots/servotester (дата обращения: 26.08.2009). Электронное научно-техни-

ческое издание «Наука и образование». URL: http://technomag.edu.ru/

doc/62352.html (дата обращения: 26.08.2009).

5. Добрынин Д. А., Карпов В. Э. Моделирование некоторых форм адаптив-

ного поведения интеллектуальных роботов // Информ. технологии и вычисл.

системы. – 2006. – № 2. – С. 45–56. URL: http://www.raai.org/about/persons/

karpov/pages/irobot/irobot.html (дата обращения: 27.08.2009).

7. MEMBRANA провела эксклюзивный тест-драйв андроида Robovie-M.

URL:

http://www.membrana.ru/articles/tf/2006/08/02/142600.html%2520 (дата

обращения: 27.08.2009).

8. Bluetooth. Материал из Википедии – свободной энциклопедии. URL:

http://ru.wikipedia.org/wiki/Bluetooth (дата обращения: 27.08.2009).

9. Романов Д. Боевая шелезяка // Хакер. – № 097. – С. 030. URL:

http://www.xakep.ru/magazine/xa/097/030/1.asp (дата обращения: 27.08.2009).

10. Калиничев В., Курушин А., Недера В. Планарные антенные системы

BlueTooth в сотовых телефонах. URL: http://www.chipinfo.ru/literature/

chipnews/200302/7.html (дата обращения: 27.08.2009).

К. А. Зворыгин, студент;

научный руководитель – С. А. Кычанов

Ижевский государственный технический университет

Разработка системы позиционирования и управления

транспортным роботом автоматизированного склада

Для однозначного определения положения транспортного робота

и его передвижения по автоматизированному складу необходима сис-

тема позиционирования. Данную задачу можно решить несколькими

способами.

1. Измерение пройденного роботом расстояния. Робот сам опре-

деляет свое положение на основе предыдущего положения и прой-

денного расстояния. Для такой схемы характерна ошибка, которая

накапливается с увеличением пройденного расстояния. Данная сис-

тема применяется в мобильных роботах, когда другие способы не-

применимы.

2. Позиционирование относительно ориентиров. Это определение

координат робота относительно ориентира. Ориентиром служит точ-

ка, принятая за начало отсчета. В этой системе могут использоваться

как полярные, так и обычные декартовы координаты. Например, для

ориентирования в океане используется направление на магнитные

полюса Земли.

Такие системы, использующие определение собственных коорди-

нат относительно глобальных, стоят на вооружении всех стран мира.

Это всем известные GPS, ГЛОНАСС.

Построение данной системы позиционирования решено сделать на

базе перекрещивающихся лазерных лучей, образующих своеобразную

сеть, по направлениям которых двигается транспортный робот.

Лазерные лучи представляют собой сетку (рис. 1), относительно

них позиционируется робот. Такая система позволяет уменьшить

ошибку позиционирования. А так как робот перемещает подвижные

платформы, имеющие одинаковые геометрические размеры, то робот

можно позиционировать не по всему полю, а только по этим точкам.

Пересечение лазерной сетки должно приходиться на центр платформы.

Рис. 1. Схема позиционирования робота в автоматизированном складе

Для определения положения робота по лазерным лучам на бортах

робота располагаются датчики. Они представляют собой расположен-

ные в ряд фототранзисторы. В зависимости от того, на какой фототран-

зистор падает лазерный луч, выдается сигнал. Если на противополож-

ных бортах робота сигнал одинаковый, то это значит, что робот распо-

ложен перпендикулярно лазерам, а значит, и осям (рис. 2, а). Если же

сигнал различный, то робот расположен под углом (рис. 2, б).

а б

Рис. 2. Положение робота: а – при одинаковом сигнале;

б – при различном сигнале

Так как по лазерам робот будет не только позиционироваться, но

и получать команды, необходимо промодулировать лазерный луч.

Существуют три основных вида модуляции: амплитудная, частотная

2 – лазерная сетка

1 – транспортный робот

и фазовая. При помощи лазерного диода мы относительно просто

можем осуществить амплитудную модуляцию. Управляя током, те-

кущим через лазерный диод, мы можем изменять излучение диода.

На рис. 3 показана блок-схема передачи команд по лазерному лу-

чу. Здесь управляющий компьютер – это вычислительная машина,

управляющая складом, которая хранит в себе базу данных (изделия,

хранящиеся на складе), обрабатывает эти данные и передает команды

роботу.

RS232 SPI

протокол передачи

по лазерному каналу

Рис. 3. Блок-схема передачи команд транспортному роботу

Компьютер с передатчиком связывается по протоколу RS232. Да-

лее он модулируется и передается на приемник. Этот датчик выдает

сигнал положения и команды. Он передается в процессор управления

робота и начинает выполняться.

Выбор протокола передачи между передатчиком и датчиком. Он

должен отвечать двум критериям. Он должен содержать номер пере-

датчика, номер робота, которому адресуется команда, и сама коман-

да, передаваемая этому роботу.

Для разработки программы предполагается использовать среду раз-

работки VisualStudio2005, язык программирования С++. В начале на-

пишем программу для связи компьютера с передатчиком.

Управляющий

компьютер

Лазерный

передатчик

Лазерный

приемник

Процессор робота

Начало

Ввод команд

с клавиатуры

Обработка команд

Инициализация COM

порта

Пересылка команды

передатчикам

Конец

Введена ли

новая команда?

Конец

программы?

Рис. 4. Алгоритм работы программы

И. А. Зыкина, магистрант;

научный руководитель – Ю. Р. Никитин

Ижевский государственный технический университет

Применение искусственных нейронных сетей

для диагностирования шпиндельного узла

Интеллектуализация – одна из основных тенденций развития со-

временных машин. Современные машины имеют высокую степень

автоматизации. Выход их строя таких машин приводит к существен-

ным экономическим потерям и может быть опасным для жизни