AGV rendszer fejlesztése

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kar Irányítástechnika és Informatika Tanszék

Szabó Lőrinc – E8I9IC Szabó Oszkár Albert - UBHPZC

AGV rendszer fejlesztése Önálló Laboratórium beszámoló

KONZULENS Kovács Gábor Budapest, 2014

Tartalom 1.

Összefoglaló ................................................................................................................ 3

2.

Bevezetés ..................................................................................................................... 4

3.

AGV-k navigációs módszerei ...................................................................................... 5

4.

Mágneses elvű nyomkövetés ....................................................................................... 7

4.1.

A Hall jelenség fizikai magyarázata ........................................................................ 7

4.2.

A mágneses vezetősáv paraméterének számítása .................................................... 8

4.3.

Következtetések, egyéb megoldási lehetőségek .................................................... 18

5.

Indukciós elvű nyomkövetés ..................................................................................... 19

5.1.

Fizikai elv és számítások ....................................................................................... 20

5.2.

Továbbfejlesztési lehetőségek ............................................................................... 26

6.

Értékelés .................................................................................................................... 27

7.

További fejlesztési lehetőségek ................................................................................. 28

8.

Felhasznált irodalomjegyzék ..................................................................................... 29

2

1. Összefoglaló Közös feladatunk egy AGV (autonóm jármű, mely előre definiált pályát követ) rendszer érzékelőinek kiválasztása, prototípusának megépítése volt. Először is megismerkedtünk az alapvető fogalmakkal, melyek e témakörben felmerülhetnek, majd ezek után a vezetési útvonalak lehetséges megvalósítását mértük fel. Itt már párhuzamosan folytattuk a munkát, mert különböző megoldási lehetőségeket vizsgáltunk. Egyikünk a mágneses, míg másikunk az indukciós vezetési elvű útvonalat járta körül. Az alapvető elképzelésünk az volt, hogy valamilyen módon megpróbálunk egy adott anyagú vezetősávot érzékelni. Az elkészült jelet érzékelő hardvert a későbbiekben egy differenciális meghajtású roboton helyezzük majd el, és egy mikrokontroller segítségével a motorok sebességét úgy szabályozzuk, hogy a jármű minél pontosabban kövesse a pályát. Ennek megoldásához két szenzor szükséges, melyeket a jármű aljának két oldalán helyezünk el. A vezetősáv közepétől való távolság függvényében a szenzorok más-más jelet szolgáltatnak, így ezek összehasonlításával meghatározható, hogy a jármű a vezetősávhoz képes milyen helyzetben van. . Az analóg jelek érzékelése nem bizonyult egyszerű feladatnak, azonban mindkettőnknek sikerült értékelhető eredményeket produkálni. Ezek felhasználhatóságáról, a folytatási lehetőségekről, illetve az eredmények értékeléséről a következő fejezetekben írunk. A következőkben körbejárjuk az AGV fogalmát, alaptípusait és ezeknek jellemzőit. Erre azért helyezünk nagy hangsúlyt, hiszen ez volt a feladat, illetve a fejlődő ipar is gyakran használja ezen eszközöket, komoly jövő van a fejlesztésükben. Ezek után következik mindkettőnk által megalkotott mintakonfiguráció, a kiválasztott eszközök jellemzése, kiválasztásuk okának indoklása számításokkal, majd az eredmények értékelése. Legvégül írunk arról, hogy milyen jövőbeli megoldásokkal, milyen új eszközök alkalmasával lehet pontosabb eredményeket kapni, illetve a jövőbeli fejlesztéseket, lehetőségeket fejtjük ki.

3

2. Bevezetés A mai világban a modern ipar számára egyre fontosabbá válik az automatizált eszközök alkalmazása. A termelés és gyári kiszolgálás minden területén törekednek a folyamatos munkavégzésre, ami hosszú távon hatékonyan automatizálással oldható meg. Nem véletlen, hogy az utóbbi 50 évben ezért meglehetősen megnőtt a kereslet az automatizált szállítóeszközök, köztük az AGV-k iránt. Az AGV (Automated Guided Vehicle) automatikus irányítású járművet takar. Az AGV fogalma a platform felépítményét nem, csupán annak navigációs módját határozza meg, így autonóm jármű alatt érhetünk akár raktári felrakó targoncát, illetve vontatótargoncát is. Alkalmazásuknak ott van elsődlegesen értelme, ahol rendszeres az állandó, előre kiépített pontok közötti áruszállítás, ami azonban futószalagok segítségével nem lenne gazdaságosan megoldható. Egy komplett rendszer kiépítése, beüzemelése túlságosan költséges lehet csak egy-egy ilyen útvonal miatt, azonban több eszköz beszerelése már költséghatékony. Érdekesség, hogy 1973-ban a Volvo svéd gyárában 280 AGV-ből álló számítógép által vezérelt rendszert fejlesztett ki. [1]

1. ábra Emelővillás AGV az Egemin automatizálási cég gyárában. [1]

4

3. AGV-k navigációs módszerei Az útvonalkövetés több módszer segítségével is megoldható, de alapvetően háromféle megoldás terjedt el a gyakorlatban. Az első lehetőség a virtuális vezetővonal alkalmazása. Itt nincs semmilyen folytonos vezetőnyom, amelyet a gép állandóan követne. A vezérlőegység a robot pozícióját egyéb módokon kalkulálja: referenciapontok lézeres bemérése, megtett út mérése, ultrahangos illetve lézeres akadály felismerés és optikai tájékozódás (ismert formák a padlóban, mennyezeten stb.). Előny az ilyen jellegű megoldásnál, hogy változtatható az útvonal a feladatnak megfelelően, azonban nagy számítási kapacitású fedélzeti vezérlő eszköz alkalmazása szükséges, továbbá különösen drága szenzortechnológiát és összetett központi irányítást igényel. Ezen okokból a rendszer megvalósítására más megoldást kerestünk. Másik megoldás a passzív útvonal alkalmazása. Optikai vezetősín esetén a padlózat színétől eltérő szalagot helyezünk el útvonal gyanánt, és egy sor reflexiós optocsatolóból álló szenzorfejjel érzékeljük a fény visszaverődését. A padlózat építése olcsó, viszont az eszközök drágák, illetve egyes üzemekben a padlózat is képes a fény visszaverésére, ami hibát okoz. Továbbá könnyen koszolódik a padló, és egy idő után az érzékelés nem lesz folyamatos. Fontos passzív vezetési megoldás a mágnesezhető szalag lefektetése. A járművön elhelyezett szenzorok az előre kialakított állandó mágneses teret érzékelik. Ehhez jó megoldás például Hall-szenzor. Előnye, hogy nem szükséges állandó táplálás a vezetősáv számára. A mágneses vezetősávot általában a padlóburkolat alá helyezik annak érdekében, hogy ne sérülhessen meg. Lineáris kimenetű szenzor alkalmazása a legcélszerűbb ezen esetben. A harmadik megoldás az aktív vezetővonal. Ez esetben a pályában lévő vágatba helyezünk egy fémvezetéket, melyet adott feszültséggel táplálunk. A benne folyó váltakozó áram körkörös mágneses teret hoz létre a vezetősáv körül. A szenzorok jelen esetben tekercsek, melyeket szimmetrikusan helyezünk el a vezetékre nézve. Bennük feszültség indukálódik az indukciós törvény értelmében, amely könnyen mérhető. Előny, hogy az áram erőssége megváltoztatható, így hangolható a rendszer, hátrány viszont, hogy a konfiguráció könnyebben vesz fel zajt, illetve folytonos tápellátást igényel.

5

2. ábra Mágneses elvű AGV targonca [1]

A félév során a feladatunk a mágneses és indukciós elvű navigációs szenzorok vizsgálata, prototípusainak elkészítése és az eredmények összevetése volt. A következő két fejezetben ezekkel kapcsolatos tapasztalatokat, eredményeket fejtjük ki.

6

4. Mágneses elvű nyomkövetés Gyakran alkalmazott megoldás AGV-k esetén, tulajdonságai a következők: Előnyök: 

passzív



elméleti zajérzékenysége alacsony



északi-déli pólust is érzékelhetjük (csökkenő, illetve növekvő kimenet)

Hátrányok: 

pálya kialakítása költséges



a mágnes erőssége adott, míg az indukciós jelleg esetén változtatható a gerjesztés

4.1. A Hall jelenség fizikai magyarázata

3. ábra Hall effektus szemléltetése [7]

Amennyiben a mágneses fluxus érzékelését akarjuk megoldani, jó módszer a Hall szenzor. A Hall szenzor működése a felfedezőjéről (Edwin Hall) elnevezett fizikai elven alapul. A mágneses térbe áramjárta vezetőlapkát helyezve arra erő fog hatni, melynek neve Lorentz-erő. Ennek nagysága: F=B*Iv*sinα. Ez az erő a mágneses kölcsönhatásból származik, így közvetlenül a mozgó töltésekre hat, töltésmegoszlást létesít az anyagon belül. Az ábrán látható módon az erő felfelé kényszeríti a töltéseket, így az áramra és mágneses térre is merőleges irányban feszültség mérhető. Ezt nevezzük Hall feszültségnek, értéke elérheti az 1,5 voltot. Ennek nagysága: Uh=Rh*B*I. A képletben Rh a Hall állandó, mely magában foglalja a geometriai és vezetői paramétereket. A vezetők Hall állandója kicsi, ezért a Hall elemek alapanyaga félvezető. A harmadik ábrán látható a Hall effektus, jól látszanak az

7

elektronok, melyek elkülönülnek a lapka alján és tetején, és ezáltal jön létre feszültség. A folyamat gerjesztői az északi és déli pólusú mágnesek. A tér érzékelésével kapcsolatos fogalmak, eszközök megismerése után számításokat végeztem annak vizsgálatára, hogy a mágneses térerősség hogyan viselkedik a távolság függvényében. Ez fontos, mivel tudnom kell, hogy milyen messziről tudom még érzékelni az adott vezetősávot, illetve a szabályozás is a szenzorok vezetősávtól való távolságán alapul.

4.2. A mágneses vezetősáv paraméterének számítása A 4. ábrán a vezetősáv keresztmetszeti képét vázoltam fel. A pálya szélességét d,. míg a szenzor pálya feletti magasságát h jelöli. Ezen két paraméter ismeretében kiszámítottam, hogy mennyit csökken a mágneses térerősség értéke az 1 (a vezetősáv közepe), illetve 2 (a vezetősáv széle) pontokban. A magasságot 3 cm-nek választom meg, a vezetősáv szélességét pedig szintén 3 cm-nek. A mágnes sáv erősségének értékét (h = 0-ban) Hmax-al jelölöm.

4. ábra Mágneses vezetősáv keresztmetszeti vázlata

h = 3 cm = 3 ∗ 10−2 𝑚 d = 3 cm = 3 ∗ 10−2 𝑚

8

90 ̊ Hmax

h=0 esetén 𝐻 = ∫−90 ̊

2

∗ cosφ dφ = Hmax

A mágneses térerősség a vezetősáv középvonalában: α

Hmax ∗ cosφ dφ = 𝐻𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑠𝑖𝑛𝛼 −α 2

𝐻=∫

𝑑

𝐻1 = 𝐻𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑠𝑖𝑛𝛼, ahol 𝛼 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔( ) 2ℎ

3 𝛼 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 ( ) = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔(0,5) = 26,565° 6 𝐻1 = 𝐻𝑚𝑎𝑥 ∗ sinα = 𝐻𝑚𝑎𝑥 ∗ sin26,565° = 𝐻𝑚𝑎𝑥 ∗ 0,4472 A mágneses térerősség a vezetősáv széle felett: β

H=∫ 0̊

Hmax Hmax Hmax β ∗ cosφ dφ = ∗ [sin φ]0 ̊ = ∗ sin β 2 2 2 H2 = Hmax ∗

sinβ

𝑑

2

ℎ

, ahol β = arctg( )

β = 45° H2 = Hmax ∗ 0,3535 A fentiek alapján elmondható, hogy a mágneses térerősség a vezetővonaltól 3 cm-es magasságban középen kb. 0,44-szeresére csökken, a széleken pedig kb.0,35-szörösére. Várható volt, hogy a szélen kisebb értékű lesz, mérnöki szempontból ez az érték jó közelítéssel tekinthető a maximális térerősség harmadának. Ezen információ ismeretében kerestem mágneses fóliát, illetve szenzort. A még megfelelő erősségű és árban is egyaránt elfogadható mágnes fólia keresése nehéz feladat volt, mivel kevés cég foglalkozik ilyesmikkel. Fontos szempont volt a könnyű megmunkálhatóság is, az útvonal kialakítása miatt. A választásom egy katalógus szerint 230 mT-ás premium mágnes fóliára esett, mely anizotróp mágnes, gyártója a Selos cég. A fóliát cég szlovákiai telephelyéről rendeltem meg. A választás azért a fóliára és nem a mágnesszalagra esett, mert így könnyebben alakítható az útvonal a feladat számára. Ezek a fóliák stroncium-ferrit porból és hőre lágyuló műanyag keverékből készülnek.

9

5. ábra A mágnes fólia [2]

6. ábra A fólia paraméterei [2]

A rugalmas mágnesek legújabb generációja neodym (NdFeB) porból készül, ami növeli a fólia rögzítő erejét és bővíti felhasználási területét. A fólia felmágnesezése multipolárisan történt. [2]

7. ábra A mágnesfólia multipoláris felmágnesezése [2]

Már ismert a mágnes térerősség, így ezzel a tudással szenzort kerestem. A mágneses teret alapvetően a következő eszközökkel lehet érzékelni: 

Hall-szenzorok



Magnetorezisztív szenzorok



Magnetodióda és -tranzisztor



Reed csöves kapcsolók



Telített magos szondák 10

A reed kapcsolókat, illetve egyéb binárisan működő szenzorokat kizártam a választásból, hiszen fontos volt, hogy analóg eszköz legyen a választás tárgya szabályozás folytonossága miatt. Végül egy lineáris kimenetű hall szenzort alkalmaztam, az Allegro cég A1302-es típusú analóg Hall szenzorát. A választásnál a legfontosabb paraméter segített, a szenzor érzékenysége. Ez 5 V-os táplálás esetén 1,3 mV/G értékű, ami megfelelő erősségű feszültséget fog indukálni. Mivel a 230 mT kb. harmadára csökken, ez kb. 76 mT, azaz a vezetősáv szélén mérhető feszültség

𝑈𝑒𝑚𝑒𝑙𝑘𝑒𝑑é𝑠 = 76 mT ∗ 1,3 mV/G = 76 mT ∗ 13 mV/mT = 988 mV ~ 1 V A szenzor alapesetben a kimenetén a tápfeszültség felét adja ki, így a szenzor kimeneti feszültsége 2,5V + 1 V = 3.5V. Mivel a szenzor kimenetén maximálisan 4,7 V körüli értéket tud kiadni, így nem fogunk kilépni a 0-5 V jelszintből sem.

8. ábra A szenzor méretei, illetve fényképe [4]

11

A szenzor fontosabb paramétereit az 1. táblázat foglalja össze Tápfeszültség igény (Vcc) Kimeneti feszültség (B=0 esetén) Kimeneti feszültség: Mágneses érzékenyég Tápellátás max. áramigénye Üzemi hőmérséklet

4,5-6V 2,25-3V (Vcc fele) 0,2-4,7V (Vcc felétől csökken illetve nő adott mágneses polaritás esetén) 1-1,6 mV/G 11 mA -40-125 °C

1. táblázat Az Allegro A1302-es szenzor főbb jellemzői [4]

A mágnes fólia paramétereinek katalógus-adatoktól való eltérése, illetve a szenzor érzékenységi hibájának kompenzálására egy erősítőkapcsolást is terveztem. A kipróbálás során a szenzor nem érzékelte megfelelően a jelet, így szükség is volt erre a kapcsolásnak. Erősítőnek a Texas Instruments NE5532A típusú műveleti erősítőjét alkalmaztam. Az IC két darab erősítőt tartalmaz egy tokban, így mindkét szenzor jelét rá tudom kötni, és a közös tokozás miatt a tranzisztorok paraméterei nagyon hasonlóak lesznek, amivel nagyobb pontosság érhető el.

9.ábra A választott erősítő [5]

Az erősítő fontosabb paramétereit a 2. táblázat foglalja össze. Tápfeszültség igény (Vcc) Bias áram bemeneti offset feszültség

±5-±15 V 200-800 nA tipikusan 0,5 mV, max 5mV 2. táblázat Az NE5532 erősítő fontosabb adatai [5]

12

10. ábra Az erősítő méretei [5]

Mivel alapesetben a szenzor kimenetén 2,5 V mérhető, és én nem akartam kilépni a TTL szintből, azért különbségképző erősítő kapcsolást alkalmaztam. A szenzor kimenetéből kivontam a Vcc tápfeszültség felét, és a kapott eredményt erősítettem.

11. ábra Az alkalmazott kapcsolás. [3]

A fenti kapcsolás volt az elvi alap, ezen egy kicsit módosítottam. U1-re kötöttem Vcc felét, melyet egyszerű feszültségosztással oldottam meg két R3=1kOhm-os ellenállással. U2-re a szenzor kimenetét kötöttem, de terheltem még két db 1kOhm-os ellenállás párhuzamos kapcsolásával, hogy az erősítő mindkét bemenetén azonosak legyenek az impedancia viszonyok. A kapcsolást méreteztem, oszcilloszkóppal vizsgáltam a szenzor kimenő jelét, ez alapján kiszámoltam az ellenállások értékeit. A kimeneti feszültség így módosult a következőre:

13

𝑈𝑘𝑖 =

𝑅2 𝑅1 +

𝑅3

∗ (𝑈2 − 𝑈1 )

2

Ezért R2 értékét 470 kOhm-nak, R1 értékét pedig 2 kOhm-nak választottam, így az erősítés kb. 188-szoros lett. A kimenet nulla mágneses térerősség esetén nem nulla lesz, mert a feszültségosztóban található két 1 kOhm-os ellenállás 1% tűrésű, így a keletkező feszültségkülönbség legrosszabb esetben 50 mV. Ezt erősítve már V nagyságrendű lesz a hiba okozta eltérés. Kézi multiméterrel megmértem a két láb feszültségét, a különbségük U = 2,526 V − 2,516 V = 10 mV, ami megmagyarázza az oszcilloszkóppal mért1,92V-os eltérést (lásd 17. ábra), mert 188 ∗ 0,01 = 1,88 V, amiben az erősítés is eltérhet, illetve a multiméternek is van hibája. Az

elkészült

konfigurációt

megvizsgáltam,

felvettem

a

távolság-feszültség

karakterisztikákat mind egy dipólus-mágnes, mind pedig a mágnes fólia használatával. A két típusú mágnesre kapott karakterisztikákat az 12. és 13. illetve a 14.-16. ábrák mutatják be. Matlab segítségével szimuláltam a mágneses térerősség fentebb kiszámolt elméleti csökkenését a távolság növekedésével, jellegre hasonló ábrát kell hogy kapjak, hiszen a szenzor a H változásával egyenesen arányos feszültséggel válaszol. A 230 mT-ás fóliára végeztem el a számításokat, majd ebből visszaszámoltam a szenzor érzékenysége segítségével a kimeneti feszültséget. Érzékenyégként az 5 V tápfeszültség esetén jellemző 1,3 mV/Gauss értékkel számoltam. A 12. ábrán, a feszültségerősítő kapcsolás kimenetén megjelenő feszültségjel, míg a 13. ábrán a szimulációs eredmény látható. Mivel a szimuláció során használt és a valós paraméterek eltérnek egymástól, ezért a görbék különbözőek, azonban jellegük megegyezik.

14

12. ábra A dipólus mágnessel felvett karakterisztika (a szenzor kimeneti feszültsége a távolság [cm] függvényében), csak az egyik pólushoz tartozó ábrát tettem be

1.1 1

Feszültség [V]

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4

4

5

6

7

8 Távolság [cm]

9

10

11

12

13. ábra Matlab szimuláció

A két ábra jellegre hasonló, tehát a számításaim helytállóak voltak, illetve a szenzor megfelelően működik. A fólia karakterisztikája pontatlan lett, mert a mágnes fólia kis térerőssége miatt csak kisebb távolságban mérve kaptam megfelelő értékeket, a távolságmérés hibáját pedig ez jelentősen megnövelte. Amint a 14. illetve a 15. ábrán is látható, a kimeneti feszültség a 15

mágneses tér polaritásától függően változik pozitív illetve negatív irányba a 0 térerősséghez tartozó 0.5*Vcc értéktől. A Matlab szimulációt ezen esetben is 230 mT-ás erősségű mágnesre végeztem el, a szenzor 1,3 mV/Gauss érzékenységével. A 14. és 15. ábrán látható a mért karakterisztika, míg a Matlab szimuláció a 16.-on.

14. ábra A mágnes fólia kimenete a távolság [cm] függvényében, a mágnes pólusának megfelelően nő a kimenet (déli polaritás)

15. ábra A mágnes fólia kimenete a távolság [cm] függvényében a mágnes pólusának megfelelően csökken a kimenet, látható, hogy a szenzor bővebb északi polaritást érzékel

16

3.02 3 2.98

Feszültség [V]

2.96 2.94 2.92 2.9 2.88 2.86 2.84 2.82 0.05

0.1

0.15

0.2

0.25 0.3 Távolság [cm]

0.35

0.4

0.45

0.5

16. ábra Fólia esetében a csökkenés szimulálása, a mért és szimulált görbék jellege hasonló

A 17. ábra a szenzor feszültségkimenetének oszcilloszkópon mért jelalakját mutatja be (DC csatolás, 16-os átlagolás mellett)..

17. ábra Oszcilloszkóp kép a szenzor kimenetéről az erősítés után 0 mágneses térerősség esetén.

17

4.3. Következtetések, egyéb megoldási lehetőségek A mágnes fólia gyenge érzékelésének egyik oka lehet, hogy felmágnesezése multipolárisan történt. A dipólus-jelleget az axiális mágnesezés közelíti jobban, azonban az csak neofol típusú mágnes fóliák esetén érhető el, melyek ára jelentősen magasabb. A multipoláris megoldásnál csak a fólia egyik felét mágnesezzük fel, és a másikon egymás mellett északi és déli pólussávokat alakítunk ki. Ezzel szemben az axiális esetén a fólia egyik felét északi másik felét déli pólusnak választjuk meg. [6]

18. ábra Axiális felmágnesezés [6]

Az érzékelés hibájának csökkentését a meglévő eszközök használatával, a kapcsolás módosításával is lehetségesnek látom. Ennek módja lehet a 2.5V-os jelszint precíziós ellenállásokkal való előállítása, illetve egy azonos típusú, árnyékolt szenzor használata jelforrásként (amennyiben ugyanis a szenzor nem érzékel mágneses teret, a tápfeszültség felét jeleníti meg a kimenetén).

18

5. Indukciós elvű nyomkövetés Az induktív vezetési technika egyike az első nyomkövetési módszereknek az AGV-k körében. Egyszerű fizikai működése a rendszer tervezését, megépítését jelentősen megkönnyíti, valamint gazdasági szempontból is kedvező lehetőségeket kínál. A rendszer azonban rendelkezik olyan hátrányokkal, amelyek egyes alkalmazásokban kirázhatják egy ilyen elven működő AGV rendszer kiépítését.

A módszer előnyei: 

Egyszerű működés



Relatív költséghatékony (a többi hasonló rendszerhez képest)



Vezetékben futó áram megfelelő modulálásával információ is közvetíthető a gép felé



Az egyes pályaszakaszok energiaellátásának ki- és bekapcsolásával a járművek útvonalválasztása dinamikusan befolyásolható



Akár a jármű energiaellátását is megoldható ezen vezeték nélküli módszerrel (a padlóban lévő vezeték egy transzformátor primer, míg a járművön lévő tekercs annak szekunder tekercsét alkotja, és lehetővé teszi az energiaátvitelt )

Hátrányok: 

A vezetőpálya folyamatos tápellátást igényel



Esetleges vezetékszakadás, illetve áramszünet esetén megbénulhat az egész rendszer



Állandó pályával rendelkezik



A pálya kiépítése nehézkes



Olyan helyen, ahol rendszeres a gyártócellák áthelyezése, megváltoztatása, ott komoly költségekkel kell számolni a rendszer használata esetén

19

5.1. Fizikai elv és számítások Ha egy hosszú egyenes vezetőben, időben szinuszosan változó áramot folyatunk, akkor ezen vezető körül elektromágneses tér indukálódik, ami mágneses fluxus-változást hoz létre. A mágneses fluxus változását az elektromágneses tér vonalaira merőlegesen elhelyezett radiális tekercsekkel érzékelhetjük. A fluxus-változás hatására a tekercsekben feszültség indukálódik, amely könnyen mérhető. A navigáláshoz két tekercset használunk fel, ez a két tekercs a vezetősáv két oldalán helyezkedik el, tehát ha a vezeték éppen középen van, akkor a két tekercsben indukálódó feszültség megegyezik. A vezérlőjelünket a két tekercsben indukálódó feszültség különbségeként képezzük: amennyiben ez nulla, nem kell irányt változtatni. A pozitív illetve negatív eredmények fogják jelenteni a két irányunkat, az érték pedig az irányváltás mértékét határozza meg.

Számítások 

Hosszú áramjárta vezetőtől „r” távolságban kialakuló elektromágneses indukció: Az Ampère – féle gerjesztési törvényt felhasználva:

⃑ 𝑑𝑙 = ∫ (𝐽 + ∮𝐻 𝐿

𝐴

⃑ 𝜕𝐷 ) 𝑑𝑠 𝜕𝑡

Az elektromos eltolás-vektor időbeli változása zérus, az áramsűrűség-vektor merőleges az „A” körlapra, így a felületintegrál eredménye az „A” körlapon átfolyó áramerősség:

⃑ (𝑟) = 𝐼 = 𝐼̂ cos(𝜔𝑡) 2𝑟𝜋 ∗ 𝐻 ⃑ (𝑟) = 𝐻

𝐼̂ cos(𝜔𝑡) ∗ 𝑒𝜑 2𝑟𝜋

⃑ (𝑟) = 𝜇𝐻 ⃑ (𝑟) = 𝐵

𝜇𝐼̂ cos(𝜔𝑡) ∗ 𝑒𝜑 2𝑟𝜋

20



Tekercsben indukálódó feszültég: Mágneses fluxus-változás hatására a tekercsben feszültség indukálódik, a létrejövő feszültség nagysága:

𝑈𝑖 = −𝑁

𝑑𝜙 , 𝑑𝑡

ahol N a tekercs menetszáma



Az előzőek alapján az indukált feszültség

𝑈𝑖 = −𝑁

𝑑 ⃑ 𝑑𝑠 ∫𝐵 𝑑𝑡 𝐴



A továbbiakban tekercs egy menetét nem kör alakúnak, hanem négyzetnek tekintjük, mivel ez jelentősen megkönnyíti a számítást, az eltérő geometriából adódó hiba pedig kis átmérőjű tekercsek esetén elfogadható mértékű. Ezek alapján a következő integrált írhatjuk fel: 𝑑+𝑎

𝑑+𝑎

𝑑

𝑑

𝑑 𝑑 𝜇𝐼̂cos(𝜔 ∗ 𝑡) −𝑁𝑎 ∫ 𝐵(𝑟)𝑑𝑟 = −𝑁𝑎 ∫ 𝑑𝑟 = 𝑑𝑡 𝑑𝑡 2𝑟𝜋 𝑑+𝑎

𝑎𝜇 𝑑 1 𝑎𝜇𝜔𝐼̂sin(𝜔𝑡) 𝑑 + 𝑎 =𝑁 ∫ ln (−𝐼̂ cos(𝜔𝑡)) 𝑑𝑟 = 𝑁 2𝜋 𝑑𝑡 𝑟 2𝜋 𝑑 𝑑



Ezt az egyenletet egyszerűsítve, a maximális indukált felszültségre az alábbi adódik 𝑑+𝑎 𝑈𝑖𝑚𝑎𝑥 = 𝑁𝑎𝜇𝑓𝐼̂ ln , 𝑑

ahol a: kört közelítő négyzet oldala d: a vezetéktől vett távolság N: tekercs menetszáma 21

𝑓: szinuszos áram frekvenciája 𝐼̂: áram csúcsértéke

19. ábra Radiális tekercs

A további számításokhoz szükségünk van a szenzor (tekercs) egyes paramétereire: a menetszámra, illetve bizonyos méreteire. A tekercs megválasztásakor figyelni kellett annak kialakítására, mivel ahhoz, hogy az indukcióvonalak megfelelő irányban metsszék a tekercset, radiális irányúra van szükségünk. A piacon lévő tekercsek vizsgálata alapján az igényeknek látszólag megfelelő szenzorok mind nagyjából azonos méretek között mozogtak. Mivel a tekercsek menetszámára nem található még csak közelítő adat sem ezért a számítások során méretekből adódó erős közelítésekkel kellett élni.

209. ábra Választott tekercs [8] méretei

A tekercs kiválasztásához ismernünk kell annak induktivitását, az induktivitást a méretekből és a menetszám ismeretéből számolhatjuk légmagos tekercs esetén. (A tekercs menetszámát becsültem, és 1000-nek tekintettem a könnyebb számolások érdekében, ami a későbbi számítások alapján kissé kevésnek bizonyult, de elfogadható eredményekre jutottam.)

22



Az induktivitás számítása Az alábbi számításhoz a keresztmetszeti képen lévő adatokat vettem figyelembe, valamint a menetszámot 1000-el becsültem a könnyebb számolás érdekében, illetve légmagosnak tekintettem a tekercset.

𝜇0 𝜇𝑟 𝐴𝑁 2 𝐿= 𝑙 𝐿 = 8,042 𝑚𝐻 A sok közelítés miatt egy 10mH-s tekercsre esett a választás, aminek ismeretek voltak a méretei, így a további számolásoknál ezeket használtam fel. 

Maximális feszültség az alábbi adatok ismeretében kifejezve: a = 8mm, N:=1000, µ = 4π*10-7 𝑈𝑖𝑚𝑎𝑥 = 1.005 ∗ 10−5 ∗ 𝑓𝐼̂ ln

𝑑 + 0.008 𝑑

A vezetékben folyó szinuszos áram frekvenciáját úgy kell megválasztanunk, hogy az indukálódó tér érzékelhető legyen kis tekercsekkel is, viszont ne okozzon semmilyen interferenciát, és adott esetben a jel generálásához szükséges áramkör is megépíthető legyen. Az áram értékét érdemes minél kisebbre megválasztani, jelent esetben 0.5A-rel számoltam. 

Az így kapott egyenlet már csak a távolság függvényében változik 𝑈𝑖𝑚𝑎𝑥 = 0.25 ∗ ln

𝑑 + 0.008 𝑑

A „d” távolság két részből áll, a magasságból és a vízszintes távolságból. jelöljük a magasságot x-el a távolságot pedig y-al. Mivel a szenzorunk függőleges irányban nem fog mozogni, ezért azt rögzíthetjük egy adott távolsággal, legyen x = 3cm. 

Csak vízszintes pozíciótól függő egyenlet 𝑈𝑖𝑚𝑎𝑥 = 0.25 ∗ ln

√𝑦 2 + 0.032 + 0.008 √𝑦 2 + 0.032 23

Tehát kaptunk egy olyan egyenletet a maximális indukált feszültségre, ami csak a vízszintes pozíciótól függ. Ezt a függvényt, azaz az indukált feszültséget a vezetősávtól való távolság függvényében már könnyen ábrázolhatjuk a MATLAB program segítségével.

21. ábra Indukált feszültség a távolság függvényében

Az ábráról leolvasható, hogy a közelítő számítások szerint az indukált feszültségünk 50-120 mV feszültség közé esik. Ahhoz, hogy ezt megfelelő képen mérni tudjuk egy mikrokontrolleres rendszerrel, fel kell erősítenünk 1-5V közé eső tartományba. Az erősítést egy egyszerű műveleti erősítős, nem invertáló alapkapcsolással valósítottam meg, az alábbiak szerint.

22. ábra Indukált feszültség a távolság függvényében

24

𝑈𝑘𝑖 𝑅2 = (1 + ) 𝑈𝑏𝑒 𝑅1 A megfelelő erősítés eléréséhez az ellenállások értékei: R1=4.7kΩ, R2=230kΩ.

23. ábra Választott erősítő

A választott műveleti erősítő MCP601, főbb jellegzetessége, hogy alacsony, 2.7 -5.5 V közötti tápfeszültség esetén is képes működni, ez számunkra a későbbiekben jelenthet előnyt, amikor egy mikrokontrolleres rendszerhez akarjuk majd illeszteni, ugyanis ezen esetekben nem áll rendelkezésünkre magas tápfeszültség. Erősítő fontosabb paraméterei: VDD-VSS

7 [V]

Input offset

Typ:+0.7, PP:+2 [V]

Bias áram

1 pA

3. táblázat MCP601 –es műveleti erősítő főbb adatai [9]

Az elemek beszerzése után következett a kapcsolás megépítése. Első lépésként lemértem a szenzorként használni kívánt tekercsekben indukálódó feszültséget a fentiekben számolt szinuszos áramjelre, ami az előzetes elvárásoknak megfelelően az 50-150mV-os tartományba esett. Ezek után összeállítottam az erősítő áramkört a fentiek alapján. Kezdetekben nehézségekbe ütközve az ellenállások értékét, valamint az erősítő IC működését tekintve. Az ellenállások értékei helytelennek bizonyultak, ezért azokat a már fent említett értékűre, azaz 4.7kΩ és 230kΩ-ra módosítottam, majd az IC-t is cserélnem kellett mivel az eredetileg 25

használt IC tönkrement, a dokumentációban már a véglegesen használt elemek szerepelnek. A változtatások után már helyesen működött az erősítő áramkör. Ezt követően a tekercset az áramkör bemenetére kötöttem, és ismét vizsgáltam a kimeneti jelet.

24. ábra Mért karakterisztika

A 24. ábrán látható a mért értékekből számított karakterisztika, ami jellegre megegyezik a szimulált karakterisztikánkkal. Ezek alapján megállapítható, hogy az erősítés nem pontosan egyezik meg az előzetesen specifikálttal, de így is az 1-4 V-os tartományba esik az erősített jelünk, amit már könnyen felhasználhatunk az AGV egységvezérlésére.

5.2. Továbbfejlesztési lehetőségek Az indukciós elvű rendszer esetén a hely alapú kommunikációhoz a járművön az eddigi tekercsekre merőlegesen elhelyezhetünk egy harmadik szenzort is. Amennyiben a vezető sáv mentél tetszőleges helyeken hurkokat hozunk létre, vagy a járművön lévő harmadik szenzorral párhuzamosan tekercseket helyezünk el, azok terét csak a harmadik szenzor fogja érzékelni. Ezen módszerrel megoldható, hogy a pálya mentén helyfüggően adjunk jelzéseket a járműnek, amit felhasználhatunk kanyarok előtti lassításra, illetve elágazásoknál az irány kijelölésére is.

26

6. Értékelés Az indukciós esetben komoly előny, hogy az áramjárta vezető esetében tudjuk változtatni a paramétereket, ellenben a rendszer állandó táplálást igényel. A mágnesnél ez nem változtatható, azonban nem szükséges külön energia bevitel. Hall szenzort alkalmazva a rendszer elméletileg elhanyagolható mértékű zajt vesz fel, viszont nehéz beszerezni a megfelelő paraméterű mágnest, olykor igen költséges megoldásnak bizonyul. A gyakorlatban a nagy erősítés miatt különböző zavarokat vett fel ezen megoldás esetén a rendszer, erősítés nélkül ez minimálisra csökkenthető lenne. Tekercs alkalmazása szenzorként olcsóbb, azonban több zajt vesz fel a rendszer (elméletileg és gyakorlatilag is). Ennek a hatása kiküszöbölhető valamilyen szűrő alkalmazásával, de ez újabb költség, bonyolódik az áramkör.

27

7. További fejlesztési lehetőségek Az elkészült hardverek segítségével tudjuk érzékelni az adott útvonalat. Vannak hibái még ennek a folyamatnak, de vannak elképzeléseink a javításukra, látunk lehetőségeket a téma folytatására. A fentiek figyelembe vételét követően a kapott jeleket erősítés, illetve jelformálás után egy 0-5 V-os AD átalakító segítségével digitális jellé konvertáljuk át, majd ezt a jelet egy mikrokontroller segítségével fel tudjuk dolgozni. A kontroller végzi az irányítást. A beavatkozó szerv két egyenáramú motor, amik a kis differenciális hajtású robot platform kerekeit hajtják meg. Folytatásként meg kell oldani a kapott jelek analóg szűrését, digitalizálását, feldolgozását, illetve a mikrokontrolleren implementálni kell a szabályozási algoritmust is.

25. ábra A kép csak illusztráció, hasonló robot platform irányítását oldanánk meg. [10]

Ezen megoldások véghezvitele után a létrejött eszközön méréseket, illetve adatgyűjtést lehetne végezni. A kapott eredmények értékelése után újabb szempontok segítségével lehetne átfogóbb képet alkotni a kétféle érzékelési módról, és kifinomultabb rendszer kialakítását megtenni. Az elkészült konfiguráció alkalmazható lenne demonstrációs célokra is.

28

8. Felhasznált irodalomjegyzék [1] AGV képek, és szövegrészek: http://en.wikipedia.org/wiki/Automated_Guided_Vehicle [2] mágnes fólia katalógus: http://www.magnety.sk/public/e-katalog/ [3] kapcsolási rajz: http://hu.wikipedia.org/wiki/M%C5%B1veleti_er%C5%91s%C3%ADt%C5%91#Kivon.C3. B3_.C3.A1ramk.C3.B6r [4] Hall szenzor katalógus: http://www.retelektronika.hu/DataSheets/50_SZENZOROK/SSG_104/A1301-2Datasheet.pdf [5] Ne 5532 adatlap: http://www.retelektronika.hu/DataSheets/38_ANALOG_IC/TI_006/ne5532a.pdf [6] mágnes fólia egyéb tulajdonságai: http://www.magnesek.hu/rugalmasmagnesek/magnesfoliak/ [7] Hall effektus: http://webshop.langauto.hu/kepek/muszaki/4.3.pdf [8] Indukciós szenzor (tekercs): http://www.hestore.hu/prod_10025538.html?pic_id=8435 [9]MCP601 adatlap: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21314g.pdf [10] robot: http://hobbirobot.hu/sites/default/files/vonalkoveto2.jpg

29