Legatura 5

7/30/2019 Legatura 5

1/21

RAPORT DE NCERCRI nr. 2

Cercetri experimentale privind comanda minirobotului


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


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


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.


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



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.11. Deplasare 0-1075 impulsuri


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


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


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


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


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


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.


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.


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.


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.


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.


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


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



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


18/21

18


Linia de intrare linia portului ce urmeaz s fie citit.

Valoare implicit = 0

Valori posibile: 0,1,2,3


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


Linia de ieire linia portului ce urmeaz s fie scris.

Valoare implicit = 0

Valori posibile: 0,1,2,3


Valoare linie(Bin) valoarea scris pe linia digital.0= TTL 0V1=TTL +5V

f. Adugarea unui nod WN-DIO

Nume funcie: WN_AddNode


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


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


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


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.

Legatura 5

Documents

Transcript of Legatura 5