FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV MECHANIKY TĚLES, MECHATRONIKY A BIOMECHANIKY

´ UCEN ˇ Í TECHNICKE ´ V BRNE ˇ VYSOKE BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

ˇ YRSTV ´ Í FAKULTA STROJNÍHO INZEN ´ ˇ USTAV MECHANIKY TELES, MECHATRONIKY A BIOMECHANIKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF SOLID MECHANICS, MECHATRONICS AND BIOMECHANICS

´ ˇ ERU ´ ˇ AN ´ Í NA PADAKOV ´ ´ KLUZAKU ´ NAVRH TRENAZ PRIST EM DESIGN OF PARAGLIDER LANDING SIMULATOR

´ PRACE ´ DIPLOMOVA MASTER’S THESIS

´ AUTOR PRACE

Bc. PAVEL WERTHEIMER

AUTHOR

´ VEDOUCÍ PRACE SUPERVISOR

BRNO 2011

ˇÍ KREJSA, Ph.D. Ing. JIR

Abstrakt Trénink pˇristáván´ı na padákovém kluzáku je velice neefektivn´ı, protoˇze kaˇzd´ y let potˇrebuje ˇ dlouhou pˇr´ıpravu. Skoly paraglidingu proto hledaj´ı alternativu pro v´ ycvik zaˇc´ınaj´ıc´ıch ˇ sen´ım je trenaˇzér létán´ı na padákovém kluzáku, návrhem takového zaˇr´ızen´ı pilot˚ u. Reˇ se tato diplomová práce zab´ yvá. Návrh zahrnuje mechanickou ˇcást – konstrukce zavˇeˇsen´ı pilota stejné jako na reálném padáku; elektronickou ˇcást – sn´ımán´ı akˇcn´ıch zásah˚ u pilota a ˇr´ızen´ı s´ıly v ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ urách a softwarovou ˇca´st – návrh firmwaru pro ˇr´ıd´ıc´ı mikrokontrolér. V rámci práce je také vyroben funkˇcn´ı prototyp. Summary Practice of landing with paraglider is very inefficient since every flight requires lengthy preparation. Therefore paragliding schools look for a more efficient alternative how to train new pilots. A paraglider flying simulator, which is the subject of this Master‘s Thesis, could be that alternative. The design of the simulator includes three parts: a mechanical part – a frame to hang a pilot, that is the same as in real paraglider; an electronic part – scanning of pilot‘s control actions and control of force in breaks of a paraglider; and a software part – a design of firmware for a microcontroller. Within the Master‘s thesis a function prototype has been made. Kl´ıˇ cov´ a slova trenaˇzér, padákov´ y kluzák, stejnosmˇern´ y motor, H-m˚ ustek, ATxmega, digitáln´ı ˇr´ızen´ı Keywords simulator, paraglider, DC motor, H-bridge, ATxmega, digital control

WERTHEIMER, P.Návrh trenaˇzéru pˇristán´ı na padákovém kluzáku. Brno: Vysoké uˇcen´ı technické v Brnˇe, Fakulta strojn´ıho inˇzen´ yrstv´ı, 2011. 53 s. Vedouc´ı Ing. Jiˇr´ı Krejsa, Ph.D.

ˇ Cestnˇ e prohlaˇsuji, ˇze jsem diplomovou práci na téma Návrh trenaˇzéru pˇristán´ı na padákovém kluzáku vytvoˇril samostatnˇe pod veden´ım svého vedouc´ıho diplomové práce s vyuˇzit´ım odborné literatury, kterou jsem vˇsechnu uvedl v seznamu literatury.

Bc. Pavel Wertheimer

Rád bych t´ımto podˇekoval Ing. Jiˇr´ımu Krejsovi, Ph.D. za odborné veden´ı pˇri pˇr´ıpravˇe této diplomové práce. Dˇekuji také Stanislavu Slámovi, Bc. Miroslavu Zezulovi a Bc. Daˇ liboru Sulcovi za pomoc pˇri realizaci prototypu trenaˇzéru.

Bc. Pavel Wertheimer

Obsah ´ 1 Uvod

8

2 Formulace probl´ em˚ u a c´ıl˚ uˇ reˇ sen´ı 2.1 Padákov´ y kluzák . . . . . . . . . . . . . ˇ ıd´ıc´ı prvky padákového kluzáku . . . . 2.2 R´ ˇ ıd´ıc´ı ˇsn 2.2.1 R´ ˇ˚ ury (brzdy) . . . . . . . ˇ ızen´ı pomoc´ı náklonu v sedaˇcce 2.2.2 R´ 2.2.3 Speed systém . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

3 Mechanick´ aˇ c´ ast 3.1 Konstrukˇcn´ı ˇreˇsen´ı zavˇeˇsen´ı sedaˇcky . . . . . . 3.1.1 Speed systém . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Upravená konstrukce zavˇeˇsen´ı sedaˇcky 3.1.3 Volba a um´ıstˇen´ı sn´ımaˇc˚ u . . . . . . . 3.2 Proveden´ı ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ ur . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Moˇzné zp˚ usoby proveden´ı tahu . . . . 3.2.2 Promˇenn´ y tah pomoc´ı DC motoru . . 3.2.3 Sn´ımán´ı s´ıly . . . . . . . . . . . . . . . 4 Elektronika 4.1 V´ ykonová elektronika . . . . . . . . 4.1.1 H-m˚ ustky . . . . . . . . . . 4.1.2 Brzdn´ y odpor . . . . . . . . 4.1.3 Zdroje . . . . . . . . . . . . ˇ ıd´ıc´ı elektronika . . . . . . . . . . 4.2 R´ 4.2.1 Mikrokontrolérov´ y modul . 4.2.2 Zesilovaˇc pro senzor zat´ıˇzen´ı 4.2.3 Akcelerometr . . . . . . . . 4.2.4 Enkodéry . . . . . . . . . . 5 Programov´ a obsluha 5.1 Obsluha senzor˚ u. . . . . . 5.1.1 Analogové senzory 5.1.2 Digitáln´ı senzory . ˇ ızen´ı motor˚ 5.2 R´ u . . . . . . . 5.2.1 Generován´ı PWM . 5.3 Komunikace s PC . . . . . 5.3.1 USART . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

9 10 12 12 13 13

. . . . . . . .

14 14 14 15 16 17 17 19 21

. . . . . . . . .

23 23 24 26 27 28 28 31 31 32

. . . . . . .

34 35 35 38 39 40 43 43 6

5.3.2

Komunikaˇcn´ı protokol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

6 Z´ avˇ er

47

Seznam pouˇ zit´ e literatury

48

Seznam pouˇ zit´ ych zkratek a symbol˚ u

50

Seznam pˇ r´ıloh

53

7

´ 1. Uvod Létán´ı na padákovém kluzáku láká v dneˇsn´ı dobˇe ˇc´ım dál v´ıce lid´ı nadˇsen´ ych myˇslenkou jeho jednoduchosti. Pro jeho základn´ı zvládnut´ı nen´ı potˇreba nˇekolikaletého studia a mnoha zkouˇsek. Naopak postaˇcuje (pˇreje-li alespoˇ n trochu poˇcas´ı) jednot´ ydenn´ı v´ ycvik, pˇri kterém poznáte základn´ı ovládán´ı a aerodynamiku padákového kluzáku a samozˇrejmˇe pro létán´ı velice d˚ uleˇzité základy meteorologie. Po absolvován´ı takového v´ ycviku a následném ˇ vyˇr´ızen´ı pilotn´ıho pr˚ ukazu u Letecké amatérské asociace CR m˚ uˇzete svobodnˇe vyletˇet nad krajinu. Dokonce i vybaven´ı pro paragliding nepotˇrebuje hangáry ˇci dobrou pˇr´ıjezdovou cestu na m´ısto startu. Vˇse se dá jednoduˇse sbalit do batohu a odnést na start po vlastn´ıch. Vˇsechny tyto d˚ uvody dávaj´ı ˇclovˇeku ˇcasto zmiˇ novan´ y pocit volnosti a nezávislosti. T´ım vˇsak v´ yhody padákového létán´ı konˇc´ı. Velkou nev´ yhodou je pˇredevˇs´ım znaˇcná závislost na povˇetrnostn´ıch podm´ınkách. Létat je moˇzno pouze pokud neprˇs´ı a rychlost vˇetru je v rozumn´ ych mez´ıch“ (tuto mez si urˇcuje kaˇzd´ y pilot sám), avˇsak vˇseobecnˇe ” −1 v rozmez´ı 0 ÷ 8 m.s . Dalˇs´ı nev´ yhodou je finanˇcn´ı nároˇcnost, i pˇresto ˇze se jedná o nejlevnˇejˇs´ı leteck´ y sport. Napˇr´ıklad ve ˇskolách paraglidingu je tˇreba vynaloˇzit mnoho náklad˚ u pˇri hledán´ı vhodného leteckého terénu a ˇcekán´ı na vhodné povˇetrnostn´ı podm´ınky, a to se v tˇechto ˇskolách uskuteˇcn ˇuj´ı pouze krátké, na podm´ınky ne pˇr´ıliˇs nároˇcné lety. Dalˇs´ı velká nev´ yhoda je nebezpeˇcnost. Dnes sice padáky (obzvláˇstˇe ty ˇskoln´ı) maj´ı vysokou u ´roveˇ n bezpeˇcnosti, nicménˇe létán´ı je stále nevyzpytatelné a obzvláˇstˇe u zaˇca´teˇcn´ık˚ u m˚ uˇze snadno doj´ıt ke zranˇen´ı. Paraglidingové ˇskoly proto hledaj´ı alternativy pro trénink letu i pˇri nepˇr´ıznivém poˇcas´ı, pro uskuteˇcnˇen´ı prvn´ıch pokus˚ u leteck´ ych nováˇck˚ u, a nebo pro prost´ y trénink standardn´ıch letov´ ych situac´ı a pˇristán´ı. Vytvoˇren´ı takového zaˇr´ızen´ı pro spoleˇcnost El Speedo s.r.o. je c´ılem této práce. Navrhované zaˇr´ızen´ı mus´ı m´ıt veˇskeré standardn´ı ovládac´ı prvky, které má i padákov´ y kluzák - tj. ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ury, ˇr´ızen´ı pomoc´ı náklonu v sedaˇcce, speed systém. V ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ urách by mˇela b´ yt generována odpov´ıdaj´ıc´ı silová odezva (v závislosti na letovém stavu). Jedná se o pomˇernˇe unikátn´ı zaˇr´ızen´ı, na internetu lze jen tˇeˇzko naj´ıt zm´ınku o podobném, natoˇz o jeho vlastnostech.

8

2. Formulace probl´ em˚ u a c´ıl˚ uˇ reˇ sen´ı Pod pojmem trenaˇzér máme namysli zaˇr´ızen´ı, které bude pˇripojeno k poˇc´ıtaˇci podobnˇe jako joystick. A stejnˇe tak mu bude zprostˇredkovávat hodnoty z r˚ uzn´ ych senzor˚ u, udávaj´ıc´ı akˇcn´ı zásah uˇzivatele. Nejde vˇsak o stoln´ı zaˇr´ızen´ı, ale o zaˇr´ızen´ı, které dokáˇze napodobit pozici pilota pˇri letu, tzn. zaˇr´ızen´ı, na které se m˚ uˇze pilot v postroji zavˇesit. Trenaˇzér mus´ı nejen napodobit chod vˇsech ˇr´ıd´ıc´ıch prvk˚ u, ale také vytvoˇrit jejich silové odezvy shodné s tˇemi u let´ıc´ıho padákového kluzáku. Na poˇc´ıtaˇci, ke kterému bude trenaˇzér pˇripojen, pobˇeˇz´ı virtuáln´ı realita letu a jej´ı vizualizace bude prom´ıtána na plátno pˇred pilota. Návrh paraglidingového trenaˇzéru lze rozdˇelit na nˇekolik pod´ uloh. Prvn´ı je návrh hardwarové ˇca´sti, tedy samotná konstrukce s ohledem na napodoben´ı pˇripojen´ı na let´ıc´ı padákov´ y kluzák a s ohledem na um´ıstˇen´ı sn´ımaˇc˚ u a motor˚ u. Dále je potˇreba navrhnout ˇr´ıd´ıc´ı elektroniku pro pohony, pro obsluhu senzor˚ u a pro komunikaci s nadˇrazen´ ym PC. Poté pro tuto elektroniku navrhnout firmware. Posledn´ım u ´kolem je návrh softwaru pro PC, kter´ y prob´ıhá paralelnˇe v rámci jiné diplomové práce. V´ ystupem práce je i funkˇcn´ı prototyp. Neˇz vˇsak pˇristoup´ıme k samotnému návrhu, projdeme si základn´ı prvky padákového kluzáku nutné pro pochopen´ı problematiky.

Obrázek 2.1: Létán´ı na padákovém kluzáku. (pˇrevzato z [5])

9

2.1. Pad´ akov´ y kluz´ ak Vymezen´ı kategorie podle zákona vyhláˇsky 108/1997 Sb. § 24, odstavec 2: Padákový kluzák je bezmotorové letadlo tˇeˇzˇs´ı vzduchu, které je konstruováno maxim´ alnˇe pro dvˇe osoby a jehoˇz vzlet se uskuteˇcn ˇuje rozbˇehem pilota, aerovlekem nebo navijákem, a jehoˇz charakter nosné plochy nen´ı urˇcován tuhou konstrukc´ı. náběžná hrana             

odtoková hrana stažená levá řídící šňůra

vrchl´ık

                           

galerie   (vyvázán´ı ˇsn ˇ˚ ur)                 

volné konce s pˇripojen´ ym    postrojem Obrázek 2.2: Schéma padákového kluzáku. (zdroj [8])

Padákov´ y kluzák je jedn´ım z nejjednoduˇsˇs´ıch zaˇr´ızen´ı, které umoˇzn ˇuje let, nen´ı urˇcen pro seskoky z letadla (nesnese takové dynamické zat´ıˇzen´ı - nen´ı pro nˇe ani konstruován). Padákov´ y kluzák je urˇcen´ y primárnˇe pro let a jeho konstrukˇcn´ı parametry jsou tomu podˇr´ızeny – snaha o co nejlepˇs´ı pomˇer dopˇredné rychlosti ku rychlosti klesán´ı (tzv. klouzavost). U modern´ıch padák˚ u se tento pomˇer, v závislosti zda jde o ˇskoln´ı a nebo závodn´ı kˇr´ıdlo, pohybuje od 7, 5 do 9, 5. Za dobr´ ych povˇetrnostn´ıch podm´ınek tak dovoluj´ı podniknout tzv. pˇrelety, tedy za vyuˇzit´ı termick´ ych ˇci svahov´ ych stoupav´ ych proud˚ u nastoupat do vˇetˇs´ıch v´ yˇsek, dovoluj´ıc´ıch pˇrelet do dalˇs´ıho regionu se stoupav´ ymi proudy. Kaˇzd´ y pilot kluzáku by tedy mˇel m´ıt dobré povˇedom´ı o meteorologii a proudˇen´ı vzduchu v krajinˇe. Takov´ y pˇrelet pˇri dobr´ ych podm´ınkách m˚ uˇze trvat v závislosti na pilotov´ ych schopnostech 10

tˇreba cel´ y den (v noci by se létat nemˇelo). Vzdálenosti uraˇzené pˇri pˇreletu pak mohou b´ yt des´ıtky aˇz stovky kilometr˚ u, evropsk´ y rekord ˇcin´ı 335, 94 km (pilot Karel Vejchodsk´ y, 28.7.2008) [13].

Obrázek 2.3: Popruhy padákového kluzáku. Padákov´ y kluzák se skládá (viz obr. 2.2) z vrchl´ıku, galerie (vyvázán´ı ˇsn ˇ˚ urami) a z popruh˚ u, které jsou spojeny do tzv. voln´ ych konc˚ u. Do ok na voln´ ych konc´ıch se pomoc´ı karabin pˇripojuje postroj pilota (nˇekdy téˇz sedaˇcka), ve kterém je um´ıstˇen záloˇzn´ı padák. Vrchl´ık je vyroben ze speciáln´ı tkaniny (lehké a takˇrka nepropustné pro vzduch), seˇsité tak aby vytvoˇrila kapsu“, která se po nafouknut´ı vytvaruje v leteck´ y profil. Galerii tvoˇr´ı ” systém ˇsn ˇ˚ ur vyvázan´ ych v nˇekolika ˇradách, kaˇzdé ˇradˇe odpov´ıdá jeden popruh volného konce. Na jednom padáku je pouˇzito aˇz 350 m ˇsn ˇ˚ ury ze speciáln´ıho materiálu s dobrou stálost´ı délky a pevnost´ı. Popruhy (obr. 2.3) jsou pˇri letu pro pilota nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı ˇca´st´ı padáku, také jedinou na kterou dosáhne. Jsou na nich um´ıstˇeny veˇskeré ovládac´ı prvky. Kaˇzd´ y voln´ y konec je sloˇzen ze 3 aˇz 4 ˇrad popruh˚ u (odpˇredu dozadu oznaˇceny A aˇz D a rozliˇseny barvami). Padákové kluzáky se vyráb´ı v nˇekolika velikostech (S aˇz XL), kaˇzdá velikost odpov´ıdá urˇcitému rozsahu letové hmotnosti. Krom velikosti kluzáku se jeho konstrukce také liˇs´ı podle urˇcen´ı – ˇskoln´ı kˇr´ıdlo, kˇr´ıdlo pro zaˇc´ınaj´ıc´ı, pro pokroˇcilé, závodn´ı a tandemové.

11

ˇ ıd´ıc´ı prvky pad´ 2.2. R´ akov´ eho kluz´ aku Nyn´ı si podrobnˇeji projdeme základn´ı ˇr´ıd´ıc´ı prvky padákového kluzáku a jejich charakteristiky chodu, tak abychom je byli schopni napodobit pˇri návrhu simulátoru.

ˇ ıd´ıc´ı ˇ 2.2.1. R´ sn ˇ˚ ury (brzdy) ˇ ıd´ıc´ı ˇsn R´ ˇ˚ ury (nˇekdy také naz´ yvané brzdy) jsou hlavn´ım ovládac´ım prvkem padákového kluzáku. Jsou um´ıstˇeny jeˇstˇe za popruhy ˇrady D a tvoˇr´ı tak nejzadnˇejˇs´ı ˇradu ˇsn ˇ˚ ur (obr. 2.3). Vyvázány jsou zvláˇst’ pro levou a pro pravou polovinu kluzáku na samotnou odtokovou hranu, kterou pˇri stahován´ı deformuj´ı (viz obr. 2.2) a mˇen´ı tak geometrii leteckého profilu na pˇr´ısluˇsné stranˇe kluzáku. Na druhém konci jsou ˇsn ˇ˚ ury pˇrivázány k madl˚ um, za která jiˇz pˇr´ımo tahá pilot. ˇn˚ Sˇ ury jsou nad madlem protaˇzeny kladiˇckou, která usmˇerˇ nuje jejich chod. Kladiˇcka také urˇcuje základn´ı tzv. trimovou polohu ˇr´ızen´ı, je to poloha u ´plnˇe vypuˇstˇeného ˇr´ızen´ı (plnˇe odbrzdˇeno) a kluzák je tak pˇri aplikaci ˇr´ızen´ı (pomineme-li speed systém viz dále) schopen pouze zpomalovat. Pro naˇse u ´ˇcely si m˚ uˇzeme trimovou polohu nadefinovat jako nulovou - tj. nulové, tedy ˇzádné staˇzen´ı ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ury. Pilot m˚ uˇze z trimové pozice ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ uru stahovat aˇz po zaˇca´tek jej´ıho vˇetven´ı, tj. v závislosti na typu a velikosti padáku cca 200 ÷ 300 cm. V praxi se vˇsak takto hluboké staˇzen´ı ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ ur nevyuˇz´ıvá, naopak pˇri hlubokém staˇzen´ı za letu m˚ uˇze doj´ıt k odtrˇzen´ı proudnic od leteckého profilu a kolapsu celého vrchl´ıku. Pˇri standardn´ıch reˇzimech letu a pˇristán´ı je obvyklé maximáln´ı staˇzen´ı kolem 120 cm. Pˇri návrhu simulátoru je také potˇreba poˇc´ıtat se silou v ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ urách, vznikaj´ıc´ı odporem vzduchu pˇri obtékán´ı deformovaného profilu a samotn´ ych ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ ur vyvázan´ ych na odtokovou hranu. Pr˚ ubˇeh velikosti této s´ıly primárnˇe závis´ı na hloubce staˇzen´ı ˇr´ızen´ı, ne vˇsak lineárnˇe. Pˇri letu vˇsak m˚ uˇze docházet k r˚ uzn´ ym pˇr´ıdavn´ ym dynamick´ ym u ´ˇcink˚ um, 1 které s´ılu v´ yraznˇe ovlivn´ı, napˇr. po pˇretaˇzen´ı kluzáku s´ıla v ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ urách prudce poklesne. Veˇskerou silovou odezvu v ˇr´ızen´ı by mˇel simulátor b´ yt schopen napodobit. K simulaci nestandardn´ıch letov´ ych reˇzim˚ u, jako je odtrˇzen´ı proudnic, nen´ı simulátor primárnˇe urˇcen, avˇsak pro u ´ˇcel v´ yuky by je mˇel alespoˇ n v malé m´ıˇre zvládat. Pˇresnˇejˇs´ı hodnoty a pr˚ ubˇehy s´ıly nebyly zat´ım promˇeˇreny, avˇsak dle odhad˚ u instruktora létán´ı na padákovém kluzáku (zadavatel práce) a zkouˇsek dosahuje maximáln´ıch hodnot kolem 150 N . Pro u ´ˇcely návrhu také odhadneme obvyklou rychlost stahován´ı nebo sp´ıˇse povolován´ı ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ury. Tato hodnota se pohybuje okolo 1, 5 m/s. 1

pˇretaˇzen´ı – velké staˇzen´ı brzd pod bod, kdy deformace vrchl´ıku je natolik velká, ˇze docház´ı k odtrˇzen´ı proudnic od leteckého profilu

12

ˇ ızen´ı pomoc´ı n´ 2.2.2. R´ aklonu v sedaˇ cce Dalˇs´ı zp˚ usob ˇr´ızen´ı padákového kluzáku je náklonem do stran. Vyklonˇen´ım pilot pˇrenáˇs´ı váhu z jedné poloviny kluzáku na druhou, ˇc´ımˇz stoupá ploˇsné zat´ıˇzen´ı jedné poloviny a zároveˇ n klesá u druhé poloviny kˇr´ıdla. Padák tak vlivem aerodynamick´ ych sil má tendenci zatáˇcet na v´ıce zat´ıˇzenou stranu.

2.2.3. Speed syst´ em Posledn´ım základn´ım ovládac´ım prvkem je tzv. speed systém, tedy systém, kter´ y provád´ı zmˇenu délky jednotliv´ ych ˇrad popruh˚ u voln´ ych konc˚ u a upravuje tak geometrii leteckého profilu, resp. sniˇzuje u ´hel nábˇehu (´ uhel pod kter´ ym je leteck´ y profil obtékán, v´ıce v [9]). Po aplikován´ı speedu dojde ke zv´ yˇsen´ı dopˇredné rychlosti kluzáku (zmenˇs´ı se totiˇz jeho ˇceln´ı odpor) na u ´kor vˇetˇs´ıho opadán´ı, tj. rychlosti klesán´ı (zároveˇ n totiˇz klesne vztlaková s´ıla). Ovládán´ı speed systému se nacház´ı na sedaˇcce, jedná se o 2 aˇz 3 hrazdiˇcky“ um´ıstˇené ” pod sedákem, pilot tak m˚ uˇze jednoduˇse ovládat speed systém nohama. Chod speed systému pˇri seˇslapován´ı je pomˇernˇe tˇeˇzk´ y, pilot totiˇz pro zmˇenu délky popruh˚ u mus´ı pˇres kladiˇcku jakoby zvedat svou vlastn´ı váhu.

13

3. Mechanick´ aˇ c´ ast Pod pojmem návrhu mechanické ˇca´sti se skr´ yvá návrh samotného zavˇeˇsen´ı pro pilota v postroji a um´ıstˇen´ı motor˚ u a senzor˚ u tak, aby byly schopny simulovat ˇr´ıd´ıc´ı prvky padáku a z´ıskávat potˇrebné hodnoty jejich stav˚ u.

3.1. Konstrukˇ cn´ı ˇ reˇ sen´ı zavˇ eˇ sen´ı sedaˇ cky Konstrukce zavˇeˇsen´ı mus´ı vyˇreˇsit dobré napodoben´ı pro ˇr´ızen´ı padáku náklonem a také speed systém. Vycház´ıme proto z konstrukce hojnˇe vyuˇz´ıvané pro simulaci zavˇeˇsen´ı na padák za u ´ˇcelem individuáln´ıho nastaven´ı sedaˇcky kaˇzdého pilota. Kinematicky se jedná o soustavu znázornˇenou na obr. 3.1 vlevo. Konstrukce se skládá ze dvou závˇesn´ ych lan, na jednom konci pˇrichycen´ ych na nosnou konstrukci (napˇr. strop) - na druhém konci maj´ı oka, do kter´ ych je moˇzno zacvaknout karabiny padákové sedaˇcky. D˚ uleˇzitou souˇcást´ı je rozpˇerná tyˇc vloˇzená mezi závˇesná lana, tyˇc je moˇzno mezi lany v´ yˇskovˇe posouvat a takto nastavovat ˇzivost“ ˇr´ızen´ı padáku náklonem. Pro naˇse u ´ˇcely bude konstrukci potˇreba m´ırnˇe upravit. ” Prvn´ı u ´pravou konstrukce zavˇeˇsen´ı je zdvojen´ı lan nad rozpˇerou, obr. 3.1 vpravo. Samotnou rozpˇeru opatˇr´ıme na konc´ıch kratˇs´ımi pˇr´ıˇcn´ıky, tvar rozpˇery pˇripom´ıná ˇsiroké p´ısmeno H. Takto je zavˇeˇsen´ı odolné v˚ uˇci rotaci kolem vlastn´ı svislé osy, kterou by mohl zp˚ usobit napˇr´ıklad pilot vlastn´ımi pohyby v pr˚ ubˇehu simulace letu. V pˇr´ıpadˇe, ˇze bude vizualizace simulovaného letu prom´ıtána na plátno pˇred pilota, je taková rotace nepˇrijatelná.

3.1.1. Speed syst´ em Pro dosaˇzen´ı realistického chodu speed systému bychom mohli pouˇz´ıt napˇr´ıklad dostateˇcnˇe tuhé pruˇziny, uchycené k závˇesn´ ym lan˚ um. V´ yhodnˇejˇs´ı variantou je vˇsak vyuˇzit´ı voln´ ych konc˚ u z padáku, které jiˇz na sobˇe speed systém pˇr´ımo maj´ı. Pouˇzit´ı voln´ ych konc˚ u m´ısto závˇesn´ ych lan také dále zvyˇsuje m´ıru podoby s reáln´ ym padákem. Umoˇzn ˇuje pˇripojen´ı postroje i ovládán´ı speed systému obvykl´ ymi karabinami. Takto si pilot m˚ uˇze vz´ıt pro simulaci letu vlastn´ı postroj, na kter´ y je zvykl´ y a má jej pro sebe nastaven. Jednoduˇse jej pˇripoj´ı ke konstrukci simulátoru standardnˇe jako k padákovému kluzáku. Vˇetˇs´ı podoba s reáln´ ym padákem dává i reálnˇejˇs´ı pocit ze simulace. Abychom mohli uvázat volné konce k závˇesné konstrukci tak, aby z˚ ustala plnˇe zachována funkˇcnost speed systému, bude tˇreba druhé zmˇeny proti p˚ uvodn´ı konstrukci. Jednotlivé ˇrady popruh˚ u vyváˇzeme podél pˇr´ıˇcn´ık˚ u, s obdobn´ ymi rozestupy jako je tomu u reálného padáku. Aplikace speed systému vyvolá pomˇerné zkrácen´ı popruh˚ u a tedy sklopen´ı H-rozpˇery. Aby mohlo ke sklopen´ı doj´ıt, mus´ı b´ yt nosná lana pˇripojena k nosné konstrukci pˇres kyvnou tyˇc, viz obr. 3.2.

14

Obrázek 3.1: Schema závˇesu sedaˇcky p˚ uvodn´ı (vlevo) a upravené (vpravo).

3.1.2. Upraven´ a konstrukce zavˇ eˇ sen´ı sedaˇ cky Zvolené konstrukˇcn´ı ˇreˇsen´ı je znázornˇeno na obr. 3.2. Lano je pouˇzito klasické ocelové pr˚ umˇeru 2, 5 mm. Rozpˇera tvaru H je svaˇrovaná z ocelov´ ych uzavˇren´ ych profil˚ u se ˇctvercov´ ym pr˚ uˇrezem, standardn´ıho hutn´ıho materiálu. Volné konce jsou pˇrivázány k pˇr´ıˇcn´ık˚ um, jejich poloha je zajiˇstˇena ˇsrouby. Pˇred mechanick´ ym poˇskozen´ım v m´ıstˇe pˇrivázán´ı jsou chránˇeny PVC buˇz´ırkou. Ocelové lano je spojeno do velké smyˇcky, a proto nen´ı potˇreba ˇreˇsit jeho upevˇ nován´ı ke konstrukci. Moˇznost v´ yˇskového nastaven´ı rozpˇery je realizována zaháknut´ım smyˇcky na rozpˇeˇre v r˚ uzn´ ych pozic´ıch (viz obr. 3.2 – kol´ıky pro nastaven´ı v´ yˇsky rozpˇery). Délka lana nad rozpˇerou se zkracuje (resp. prodluˇzuje) a rozpˇera stoupá (resp. klesá). Veˇskeré rozmˇery jsou stanoveny experimentálnˇe s d˚ urazem na napodoben´ı chován´ı reálného padáku. Celá konstrukce je velmi jednoduchá a levná, sloˇzená ze standardn´ıch polotovar˚ u.

15

Obrázek 3.2: Schema upravené konstrukce zavˇeˇsen´ı.

3.1.3. Volba a um´ıstˇ en´ı sn´ımaˇ c˚ u Konstrukce je d´ıky pouˇzit´ ym lan˚ um velice jednoduchá, o to problematiˇctˇejˇs´ı je zabudován´ı ˇ sen´ı takového problému nˇejakého mechanického senzoru pro mˇeˇren´ı náklonu v sedaˇcce. Reˇ proto obejdeme vyuˇzit´ım dnes jiˇz velice dostupn´ ych MEMS akcelerometr˚ u. Vyuˇzijeme toho, ˇze pˇri vyklánˇen´ı v sedaˇcce se zároveˇ n v jisté m´ıˇre klon´ı i rozpˇera. Nav´ıc pˇri pouˇzit´ı speed systému se rozpˇera nakláp´ı. Referenc´ı pro mˇeˇren´ı je samozˇrejmˇe smˇer gravitaˇcn´ıho zrychlen´ı. Akcelerometrick´ y senzor um´ıst´ıme na rozpˇeru, pobl´ıˇz stˇredu. Pˇresné um´ıstˇen´ı nen´ı d˚ uleˇzité, protoˇze hodnoty ze senzoru budou upravovány filtrem typu doln´ı propust s velkou ˇcasovou konstantou a dynamická zrychlen´ı pˇri pˇrechodov´ ych jevech se tedy do mˇeˇren´ı pˇr´ıliˇs neprojev´ı. Problémem by vˇsak mohlo b´ yt houpán´ı konstrukce, které má pomˇernˇe velkou periodu, veˇskeré tˇren´ı u pohybuj´ıc´ıch se ˇcást´ı je tedy v´ yhodou. D˚ uleˇzitˇejˇs´ı je orientace senzoru, respektive jeho tˇr´ı os, ve kter´ ych zrychlen´ı mˇeˇr´ı. Podle jejich natoˇcen´ı vzhledem k rozpˇeˇre je potˇreba pro v´ ypoˇcet klonˇen´ı a klopen´ı pouˇz´ıt hod-

16

noty z pˇr´ısluˇsn´ ych os. Pro jednoduˇsˇs´ı v´ ypoˇcet u ´hl˚ u proto vol´ıme orientaci tak, aby vˇzdy jedna z os byla rovnobˇeˇzná s osou otáˇcen´ı. To znamená, ˇze u ´hel pak poˇc´ıtáme z ostatn´ıch dvou os kolm´ ych. Lépe situaci objasˇ nuj´ı obrázek 3.3 a rovnice pro v´ ypoˇcet u ´hl˚ u klonˇen´ı 3.1 a klopen´ı 3.2.

Obrázek 3.3: Nákres orientace akcelerometru.

xacc yacc zacc klopen´ı = arctan yacc

klonˇen´ı = arctan

(3.1) (3.2)

´ Promˇenné xacc , yacc a zacc jsou hodnoty z jednotliv´ ych os akcelerometru. Uhel klonˇen´ı odpov´ıdá m´ıˇre vyklonˇen´ı v sedaˇcce a klopen´ı odpov´ıdá m´ıˇre aplikace speed systému.

3.2. Proveden´ı ˇ r´ıd´ıc´ıch ˇ sn ˇ˚ ur Jak uˇz bylo ˇreˇceno na voln´ ych konc´ıch se krom speed systému nacházej´ı také ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ury. Jejich proveden´ı je tedy jiˇz pˇredem dáno. Vˇetˇs´ım problémem ovˇsem bude generován´ı silové odezvy v ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ uˇre v pr˚ ubˇehu letu. Také je potˇreba vyˇreˇsit mˇeˇren´ı u ´rovnˇe staˇzen´ı ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ ur.

3.2.1. Moˇ zn´ e zp˚ usoby proveden´ı tahu Moˇznost´ı proveden´ı tahu pˇripadá do u ´vahy v´ıc, kaˇzdá má samozˇrejmˇe své v´ yhody a své nev´ yhody.

17

Soustava gumov´ ych provazc˚ u Nˇekolik gumov´ ych vláken (dostateˇcnˇe siln´ ych napˇr. modeláˇrsk´ ych) je spojeno paralelnˇe, tak aby ze zaˇcátku stahován´ı ˇr´ızen´ı zab´ıralo nejprve jen jedno a postupnˇe s ˇc´ım dál t´ım vˇetˇs´ım staˇzen´ım se pˇridávaly dalˇs´ı. Takto lze pomˇernˇe dobˇre (po malém experimentován´ı a upravován´ı) nastavit s´ılu a jej´ı pr˚ ubˇeh adekvátnˇe k chován´ı reálného padáku. Dokonce i pˇretaˇzen´ı padáku, tedy náhl´ y pokles s´ıly v ˇr´ızen´ı na konci jeho rozsahu, by mohlo b´ yt realizováno napˇr´ıklad siln´ ymi magnety ze vzácn´ ych zemin. Pˇri pˇrekroˇcen´ı kritické s´ıly by doˇslo k odtrˇzen´ı magnetu od podloˇzky, gumy pˇripojené na magnet by se stáhly a s´ıla v ˇr´ızen´ı by pominula. Velkou v´ yhodou tohoto ˇreˇsen´ı je jednoduchost a n´ızká cena, také malá setrvaˇcnost je velik´ ym plusem. Veˇskeré setrvaˇcné hmoty v ˇr´ızen´ı padáku totiˇz pˇredstavuj´ı jen madlo ˇr´ızen´ı, kus tkaniny (odtoková hrana) padáku a vzduch v n´ı ukryt´ y. Celkovˇe tedy velice n´ızká setrvaˇcnost by mˇela b´ yt zachována i na simulátoru. Nev´ yhodou je nemoˇznost mˇenit velikost s´ıly v pr˚ ubˇehu simulovaného letu - v závislosti na aktuáln´ım stavu a v˚ ubec sloˇzitˇejˇs´ı nastavován´ı velikosti s´ıly. Také parametry gumy se mohou s ˇcasem mˇenit a ovlivˇ novat tak chován´ı ˇr´ızen´ı. Line´ arn´ı motor ˇ ıd´ıc´ı ˇsn Dalˇs´ı moˇznost´ı je vyuˇzit´ı lineárn´ıho motoru. R´ ˇ˚ ura by byla pˇrichycena pˇr´ımo na jeho pohyblivou ˇca´st. V´ yhodou je zachován´ı pomˇernˇe malé setrvaˇcnosti ˇr´ızen´ı padáku a moˇznost nastaven´ı velikosti s´ıly tahu v reálném ˇcase. Záporem elektronického ˇr´ızen´ı s´ıly tahu v ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ uˇre je nutnost s´ılu i mˇeˇrit. Velkou nev´ yhodou tohoto ˇreˇsen´ı je vˇsak i vysoká cena lineárn´ıho motoru a jeho malá s´ıla, pokud by nebylo vyuˇzito pˇrevod˚ u, avˇsak t´ımto vˇse nab´ yvá na sloˇzitosti. Klasick´ y elektrick´ y motor Vyuˇzit´ı klasického rotaˇcn´ıho motoru vyˇzaduje v´ yrobu bubnu, na kter´ y bude ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ura nav´ıjena. K motoru vˇsak m˚ uˇzeme pˇripojit standardn´ı senzor natoˇcen´ı (napˇr. enkodér) pro jednoduché mˇeˇren´ı hodnoty staˇzen´ı ˇr´ızen´ı. Pro naˇse u ´ˇcely by elektrick´ y stroj mˇel m´ıt co nejvˇetˇs´ı pomˇer krout´ıc´ı moment/hmotnost (kv˚ uli co nejniˇzˇs´ı setrvaˇcnosti), zároveˇ n by vˇsak mˇel zvládat i dostateˇcnou rychlost potˇrebnou pˇri nav´ıjen´ı ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ury; to nás pˇrivád´ı k uˇzit´ı synchronn´ıho nebo stejnosmˇerného stroje s permanentn´ımi magnety ze vzácn´ ych zemin. Z d˚ uvod˚ u lepˇs´ı dostupnosti a jednoduˇsˇs´ı ˇriditelnosti bude vhodnˇejˇs´ı uˇz´ıt stejnosmˇern´ y motor. V´ yhody tohoto proveden´ı jsou pomˇernˇe n´ızká cena (v závislosti na kvalitˇe motoru) a opˇet elektronické ˇr´ızen´ı s´ıly.

18

Nev´ yhodou m˚ uˇze b´ yt nav´ıjen´ı ˇsn ˇ˚ ury na buben, tedy riziko jej´ıho zauzlen´ı, a opˇet nutnost s´ılu i mˇeˇrit.

3.2.2. Promˇ enn´ y tah pomoc´ı DC motoru Parametry stejnosmˇerného motoru nutné pro splnˇen´ı odhadnut´ ych hodnot rychlosti vmax = 1, 5 m/s a s´ıly Fmax = 150 N v ˇr´ızen´ı padákového kluzáku jsou vypoˇc´ıtány podle jednoduch´ ych vzorc˚ u 3.3 a 3.4 a v závislosti na pr˚ umˇeru nav´ıjec´ıho bubnu znázornˇeny v grafu (obr. 3.4). Symbol Mm oznaˇcuje mechanick´ y moment motoru nutn´ y pro splnˇen´ı hodnot s´ıly, n jsou otáˇcky motoru nutné pro splnˇen´ı hodnot rychlosti a rb je polomˇer nav´ıjec´ıho bubnu. Mm = Fmax .rb [N m] vmax 60 [ot/min] n= rb 2π

(3.3) (3.4)

Parametry DC motoru 15

1500 Mm

1400

n 12

1200

10

1000

8

800

6

600

4

400

2

200

0 0.02

0.04

0.06

0.08 0.1 prumer navijeciho bubnu db [m]

0.12

0.14

potrebne otacky motoru n [ot/min]

potrebny mechanicky moment na hrideli Mm [Nm]

14

0 0.16

Obrázek 3.4: Graf momentu a rychlosti DC motoru v závislosti na pr˚ umˇeru nav´ıjec´ıho bubnu. Podle vypoˇcten´ ych parametr˚ u motoru je jasné, ˇze k dosaˇzen´ı s´ıly je potˇreba pouˇz´ıt motor s pˇrevodovkou. Pˇrevodov´ y pomˇer vˇsak vol´ıme nejmenˇs´ı moˇzn´ y, aby nebyla omezena rychlost nav´ıjen´ı. Z d˚ uvod˚ u rychlé dostupnosti a pˇredevˇs´ım ceny je pouˇzit starˇs´ı stejnosmˇern´ y motor s permanentn´ımi magnety. Jediné u ´daje otiˇstˇené na motoru jsou elektrické – 24 V /3 A. Ostatn´ı parametry máme namˇeˇreny pomoc´ı dynamometru na v´ ystupn´ı hˇr´ıdeli. Pˇrevodov´ y 19

nomináln´ı napˇet´ı Un nomináln´ı proud In pˇr´ıkon P1 konstanta motoru cφ pˇrevodov´ y pomˇer nomináln´ı otáˇcky nn nomináln´ı moment Mn zábˇern´ y moment Mz odpor vinut´ı Ra indukˇcnost vinut´ı La

24 V 3A 72 W ≈ 0, 8 V.s/rad ≈ 12, 31 240 ot/min 2, 5 N m ≈ 10 N m 1, 5 Ω ≈ 6 mH

Tabulka 3.1: Parametry pouˇzitého motoru. ≈ 12, 31. Veˇskeré zjiˇstˇené parametry motoru jsou pomˇer dvoustupˇ nové pˇrevodovky je 517 42 shrnuty v tabulce 3.1. Pˇr´ıkon motoru P1 dle rovnice 3.5 je v porovnán´ı se zdánlivˇe potˇrebn´ ym v´ ykonem mechanick´ ym Pmech (rovnice 3.6) - vypoˇcten´ ym z odhadnut´ ych parametr˚ u s´ıly Fmax a rychlosti vmax ˇr´ızen´ı, velice mal´ y. Mus´ıme si vˇsak uvˇedomit, ˇze maximáln´ı hodnoty s´ıly a rychlosti ve skuteˇcnosti nikdy nep˚ usob´ı zároveˇ n, nav´ıc m˚ uˇzeme motor krátkodobˇe pˇretˇeˇzovat. Také je dobré brát v potaz, ˇze maximáln´ı hodnoty s´ıly a rychlosti jsou jen odhadnuté a ˇze simulátor je vyv´ıjen jako prototyp, kter´ y pom˚ uˇze lépe urˇcit hodnoty reálné. Symboly Un a In oznaˇcuj´ı nomináln´ı hodnoty napˇet´ı a proudu DC motoru. P1 = Un .In = 24 V.3 A = 72 W

(3.5)

Pmech = Fmax .vmax = 150 N.1, 5 m.s−1 = 225 W

(3.6)

Z parametr˚ u motoru je jasné, ˇze pro doc´ılen´ı odhadnuté s´ıly a rychlosti ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ury bychom museli volit pokaˇzdé jin´ y pr˚ umˇer nav´ıjec´ıho bubnu. Kompromisn´ı hodnota pr˚ umˇeru, s pˇrihlédnut´ım na dostupné polotovary, je db = 68 mm. Teoreticky dosaˇzitelné hodnoty s´ıly a rychlosti ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ury za nomináln´ıho napájen´ı motoru jsou vmax ≈ 0, 85 m/s pˇri Fmax ≈ 70 N . Pouˇzit´ y motor nemá zabudovan´ y sn´ımaˇc natoˇcen´ı, vyuˇzili jsme proto nutnosti vyrobit nav´ıjec´ı buben. Souˇca´st´ı bubnu jsou vyfrézované zuby pouˇzitelné jako clonky pro optick´ y enkodér. Z hlediska pouˇzité technologie v´ yroby je poˇcet zub˚ u stanoven na 18. S pouˇzit´ım klasického dvoukanálového sn´ımán´ı m˚ uˇzeme dosáhnout rozliˇsen´ı 72 puls˚ u na otáˇcku. Se stávaj´ıc´ım pr˚ umˇerem bubnu m˚ uˇzeme rozliˇsit pˇribliˇznˇe 3 mm na ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ uˇre, coˇz je postaˇcuj´ıc´ı. ˇ ıd´ıc´ı ˇsn Cel´ y motor je pomoc´ı pˇr´ıruby uchycen k zadn´ı ˇca´sti pˇr´ıˇcn´ıku rozpˇery. R´ ˇ˚ ura procház´ı vod´ıc´ım okem a je pˇrivázána k bubnu. 20

3.2.3. Sn´ım´ an´ı s´ıly S´ılu tahu v ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ uˇre m˚ uˇzeme d´ıky pouˇzit´ı DC motoru libovolnˇe mˇenit, abychom vˇsak mohli s´ılu ˇr´ıdit, mus´ıme ji i mˇeˇrit. D´ıky pouˇzit´ı DC motoru lze s´ılu nepˇr´ımo odhadovat z proudu protékaj´ıc´ıho vinut´ım, z´ıskaná hodnota s´ıly by vˇsak byla pomˇernˇe nepˇresná. Nepˇresnost dále zvyˇsuje pouˇzit´ı pˇrevodovky – zanáˇsen´ı dalˇs´ıch tˇrec´ıch moment˚ u a setrvaˇcnost´ı. Tyto neduhy pom˚ uˇze odstranit pˇr´ımé sn´ımán´ı tahu v ˇr´ızen´ı. Pouˇzité tenzometrické sn´ımaˇce jsou dnes jiˇz d´ıky masové v´ yrobˇe pro digitáln´ı váhy levné a jednoduché k pouˇzit´ı. Jedná se o tzv. jednobodov´ y sn´ımaˇc zat´ıˇzen´ı, obrázek 3.5. Na váˇz´ıc´ım profilu z hlin´ıkové slitiny jsou nalepeny ˇctyˇri tenzometry zapojené do mˇeˇr´ıc´ıho mostu. Sn´ımaˇc firmy Zemic je schopen váˇzit do 35 kg a snést pˇret´ıˇzen´ı bezpeˇcnˇe na 52, 5 kg, popˇr´ıpadˇe extrémnˇe aˇz 105 kg. Jednobodové sn´ımaˇce zat´ıˇzen´ı svoj´ı konstrukc´ı nejsou citlivé na mimoosové zatˇeˇzován´ı (krut).

Obrázek 3.5: Jednobodov´ y sn´ımaˇc zat´ıˇzen´ı. Sn´ımaˇc je vloˇzen mezi pˇr´ırubu motoru a rozpˇeru (uchycen vˇzdy dvojic´ı ˇsroub˚ u M6), tˇelo sn´ımaˇce je zasunuto do profilu pˇr´ıˇcn´ıku pro zajiˇstˇen´ı lepˇs´ı mechanické ochrany.

21

Obrázek 3.6: Fotografie navrˇzené konstrukce.

22

4. Elektronika Abychom mohli ˇr´ıdit motory a mˇeˇrit hodnoty ze senzor˚ u, potˇrebujeme pro nˇe obsluhu v podobˇe elektronick´ ych obvod˚ u. Veˇskerá elektronika simulátoru se dá rozdˇelit do dvou hlavn´ıch okruh˚ u - v´ ykonová a ˇr´ıd´ıc´ı. Vˇsechny obvody jsou také navrhovány v podobˇe modul˚ u, které jsou pˇripojeny k jednomu hlavn´ımu (ˇr´ıd´ıc´ımu), kter´ y provád´ı veˇskerou jejich obsluhu a komunikuje s nadˇrazen´ ym PC. V rámci diplomové práce jsou vˇsechny obvody také vyrobeny. Ploˇsné spoje jsou navrˇzeny v programu EAGLE, soubory jsou souˇca´st´ı pˇr´ılohy.

Obrázek 4.1: Schéma rozvrˇzen´ı elektroniky. ˇ ıd´ıc´ı Fyzické um´ıstˇen´ı jednotliv´ ych prvk˚ u elektroniky ukazuje schéma (obr. 4.1). R´ elektronika spolu s H-m˚ ustky a brzdn´ ym odporem je um´ıstˇena na stˇred rozpˇery, nacház´ı se tak v pomysleném stˇredu veˇsker´ ych elektronick´ ych periferi´ı um´ıstˇen´ ych na konstrukci padákového simulátoru. Jediná elektronika um´ıstˇená mimo samotn´ y trenaˇzér jsou zdroje. Napˇet´ı od zdroj˚ u je pˇrivádˇeno pomoc´ı kabel˚ u, veden´ ych vrchem pˇres závˇesnou konstrukci, tak aby neomezovaly pohyb konstrukce simulátoru.

4.1. V´ ykonov´ a elektronika V´ ykonovou elektronikou v naˇsem pˇr´ıpadˇe rozum´ıme zdroje a elektroniku spojenou s napájen´ım motor˚ u. V´ ykon aktuálnˇe pouˇzitého motoru nen´ı nijak velk´ y, nicménˇe motory budou dva

23

a s pˇrihlédnut´ım na jejich pˇretˇeˇzován´ı se dostáváme k proudovému odbˇeru ˇra´dovˇe deseti ampér. Elektronika by také mˇela b´ yt pokud moˇzno pˇripravena na pouˇzit´ı motor˚ u silnˇejˇs´ıch.

4.1.1. H-m˚ ustky Pˇri návrhu vycház´ıme z [10]. Jelikoˇz potˇrebujeme elektrick´ y stroj pouˇz´ıvat ve tˇrech ze ˇctyˇr pracovn´ıch kvadrant˚ u, je nutné pouˇz´ıt pro napájen´ı ˇctyˇrkvadrantov´ y mˇeniˇc, tzv. H-most. ˇ ızen bude signály PWM z mikrokontroléru. R´ Pro návrh H-m˚ ustku je rozhoduj´ıc´ı napˇet´ı a proud, které mus´ı b´ yt schopen dodávat. Podle toho jsou pak vybrány vhodné sp´ınac´ı prvky. V naˇsem pˇr´ıpadˇe z d˚ uvodu pouˇzit´ı n´ızkého napˇet´ı nejsp´ıˇse p˚ ujde o sp´ınac´ı prvky typu MOSFET, tedy unipolárn´ı tranzistory. Nomináln´ı napˇet´ı motor˚ u je 24 V , pokud chceme motor krátkodobˇe pˇretˇeˇzovat, bude lépe pouˇz´ıt napˇet´ı vyˇsˇs´ı. S vyˇsˇs´ım napˇet´ım budeme schopni, podle známého vztahu pro indukované napˇet´ı ui DC motoru 4.1, dosahovat vyˇsˇs´ıch otáˇcek (resp. u ´hlov´ ych rychlost´ı ω). Abychom mohli motor pˇretˇeˇzovat i do oblast´ı vyˇsˇs´ıho momentu na hˇr´ıdeli M , rovnice 4.2, bude tˇreba zdroj, kter´ y dokáˇze dodat vyˇsˇs´ı neˇz nomináln´ı hodnotu proudu i (v´ıce neˇz 3 A). Symbol cφ oznaˇcuje napˇet’ovou a momentovou konstantu stejnosmˇerného motoru s permanentn´ımi magnety. ui = cφ.ω

(4.1)

M = cφ.i

(4.2)

Pˇri pˇretˇeˇzován´ı vyˇsˇs´ım napˇet´ım hroz´ı motoru pouze elektrické proraˇzen´ı izolace vinut´ı. Pouˇzité napˇet´ı bude stále dostateˇcnˇe n´ızké a pr˚ uraz izolace nehroz´ı. Horˇs´ı situace plyne z proudového pˇretˇeˇzován´ı. Pr˚ uchodem elektrického proudu vinut´ım motoru se samotné vinut´ı ohˇr´ıvá Jouleov´ ymi ztrátami a pˇri pˇrekroˇcen´ı urˇcité teploty m˚ uˇze doj´ıt k tepelnému zniˇcen´ı izolace vinut´ı. Pˇretˇeˇzován´ı motoru proudovˇe je moˇzné jen v krátk´ ych ˇcasov´ ych u ´sec´ıch, kdy vˇetˇs´ı Jouleovy ztráty pojme tepelná kapacita vinut´ı. Pokud nechceme napájec´ı zdroj vyrábˇet, bude lepˇs´ı uˇz´ıt standardn´ı hodnotu napˇet´ı 36 V – coˇz je nejbliˇzˇs´ı vyˇsˇs´ı k nomináln´ım 24 V . Odeb´ıran´ y proud pˇredimenzovan´ y kv˚ uli pˇretˇeˇzován´ı a násoben´ y dvˇema (pouˇz´ıváme 2 motory) ˇcin´ı kolem 8 A. Celkov´ y v´ ykon v´ ykonového zdroje by tedy mˇel b´ yt asi 300 W . Pro samotn´ y mˇeniˇc je nejlepˇs´ı, vzhledem ke zvolen´ ym parametr˚ um napájen´ı, pouˇz´ıt jako sp´ınac´ı prvky unipolárn´ı tranzistory. Jsou pro uvaˇzované hodnoty napˇet´ı a proud˚ u dobˇre dostupné, levné a disponuj´ı nejlepˇs´ımi vlastnostmi, jako rychlost´ı sepnut´ı/rozepnut´ı a odporem v sepnutém stavu. Pˇri návrhu mˇeniˇce je dobré m´ıt na mysli jejich náchylnost na pˇrepˇet´ı a volit souˇca´stky dimenzované alespoˇ n na dvojnásobek sp´ınaného napˇet´ı. Také sp´ınan´ y proud m˚ uˇze, napˇr´ıklad pˇri rozjezdu nebo reverzaci motoru, nar˚ ust na nˇekolikanásobnˇe vyˇsˇs´ı hodnoty neˇzli nomináln´ı. 24

Pro naˇse u ´ˇcely bude jednoduˇsˇs´ı vyuˇz´ıt integrovan´ y obvod DRV8402 firmy Texas Instruments. Jedná se o dvojit´ y H-m˚ ustek sloˇzen´ y z tranzistor˚ u MOSFET s budiˇci a nˇekolika ochranami. M˚ ustek je schopen sp´ınat napˇet´ı aˇz 50 V a proud 5 A (ˇspiˇcková hodnota 12 A) jednou vˇetv´ı a pracovat na frekvenci aˇz 500 kHz. Obvod DRV8402 je zapojen v reˇzimu, kdy oba H-m˚ ustky pracuj´ı paralelnˇe, m˚ uˇzeme takto sp´ınat 10 A (ˇspiˇckovˇe 24 A). Integrovan´ y obvod potˇrebuje pro buzen´ı tranzistor˚ u napájen´ı 12 V . Má automatickou ochranu proti pˇrehˇrát´ı, které signalizuje pˇri 125 ◦ C a pˇri 150 ◦ C odstavuje vˇsechny tranzistory. Dále automaticky detekuje podpˇet´ı pˇri napájec´ım napˇet´ı pod 9, 8 V a odstavuje vˇsechny tranzistory, pˇri nedostateˇcnˇe vysokém napˇet´ı pro buzen´ı tranzistor˚ u by nemuselo docházet k jejich plnému sepnut´ı. Posledn´ı ochranou, kterou DRV8402 disponuje, je automatické omezován´ı proudu, hodnota proudu, pˇri kterém zaˇcne omezován´ı pracovat, je uˇzivatelsky nastavitelná. V naˇsem pˇr´ıpadˇe je nastavena na 9, 3 A. Pro signalizaci moˇzn´ ych poruch má integrovan´ y obvod dva logické v´ ystupy, piny 1 2 F AU LT a OT W . DRV8402 automaticky ˇreˇs´ı i tzv. dead-time , ovládán´ı je velice jednoduché – H-m˚ ustek ˇr´ıd´ıme pouze dvˇema signály PWM (pro kaˇzdou vˇetev), piny P W M A a P W M B. Logická jedniˇcka znamená sepnuté horn´ı tranzistory, logická nula sepnuté doln´ı. Dále jsou k dispozici dva signály RESET (pro kaˇzdou vˇetev zvláˇst’ – piny RESET AB a RESET CD), které vyˇrad´ı z provozu tranzistory pˇr´ısluˇsné vˇetve.

Obrázek 4.2: Zjednoduˇsené schéma zapojen´ı H-m˚ ustku – pˇripojen´ı k mikrokontroléru. Elektronické zapojen´ı je pomˇernˇe jednoduché, DRV8402 nepotˇrebuje mnoho extern´ıch prvk˚ u. Vˇetˇsina jsou pouze blokovac´ı kondenzátory. Protoˇze tranzistory H-m˚ ustku jsou velice kvalitn´ı a dosahuj´ı veliké strmosti sp´ınaného napˇet´ı: dU ≈ 4 kV /µs dt 1 2

OverTemperature warning Dead-time je ˇcasov´ a prodleva mezi sepnut´ım horn´ıho a spodn´ıho tranzistoru jedné vˇetve.

25

je d˚ uleˇzité, pro sn´ıˇzen´ı kapacitn´ıch proud˚ u a ruˇsen´ı, zapojit tlumivku do série ke kaˇzdému v´ ykonovému v´ ystupu. Tlumivky mus´ı b´ yt dostateˇcnˇe dimenzovány k procházej´ıc´ımu proudu, aby nedocházelo k jejich pˇresycován´ı a ztrátˇe funkce. Elektrické zapojen´ı je d´ıky integrovanému obvodu DRV8402 velice jednoduché, nároˇcnˇejˇs´ı je vˇsak jednotlivé v´ ykonové prvky správnˇe um´ıstit na desku ploˇsného spoje. Popsané parametry jsou pˇrevzaty z [11]. Obrázek 4.3 ukazuje v´ yˇrez desky ploˇsn´ ych spoj˚ u kolem integrovaného obvodu DRV8402. D˚ uleˇzité je fyzicky um´ıstit keramické blokovac´ı kondenzátory C24 a C28 aˇz C30 co nejbl´ıˇze napájec´ım v´ ykonov´ ym v´ yvod˚ um dvojitého H-m˚ ustku. Paralelnˇe je pˇripojen i velk´ y elektrolytick´ y kondenzátor s n´ızk´ ym vnitˇrn´ım odporem.

3,0 C22

C40

C25

IC1

C24 C29

C30

C31

C26

C38

C27 C21

C39

JP2

C37 C36 R4

DRV8402

C23

C28

I_mot 12V GND OTW FAULT RST_B RST_A PWM_B PWM_A

Obrázek 4.3: V´ yˇrez vrchn´ı vrstvy DPS kolem integrovaného obvodu DRV8402. Oznaˇcené blokovac´ı kondenzátory je tˇreba um´ıstit co nejbl´ıˇze H-m˚ ustku. Kromˇe H-m˚ ustku je na stejném ploˇsném spoji i senzor proudu ACS712 firmy Allegro MicroSystems [1]. Je pˇripojen do série na jeden z v´ ystup˚ u H-mostu pro DC motor. Senzor je zaloˇzen na principu Hallovy sondy, d´ıky tomu je analogov´ y v´ ystup sn´ımaˇce od v´ ykonového obvodu galvanicky oddˇelen. Napájen je 5 V , které pro nˇej vyráb´ı z 12 V u ´rovnˇe lineárn´ı napˇet’ov´ y regulátor 78L05. Sn´ımaˇc má rozsah ±20 A a citlivost 100 mV /A. V´ ystup sn´ımaˇce pro hodnotu proudu 0 A je polovina napájec´ıho napˇet´ı, ˇcili 2, 5 V . V´ ystupn´ı signál se pohybuje v pomˇernˇe vysok´ ych hodnotách napˇet´ı, takˇze pˇred pˇriveden´ım na A/D pˇrevodn´ık jej bude nutno sn´ıˇzit napˇet’ov´ ym dˇeliˇcem.

4.1.2. Brzdn´ y odpor Pouˇzité DC motory jsou jiˇz pomˇernˇe v´ ykonné a maj´ı nezanedbateln´ y moment setrvaˇcnosti. Proto napˇr´ıklad pˇri reverzaci nebo pˇri chodu motoru v generátorovém reˇzimu (rychlé stahován´ı ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ury proti silovému p˚ usoben´ı motoru) mohou v jisté m´ıˇre vyrábˇet elek26

T1 TIP122

15R/20W

2 1

P$1

R_PWR

39V

D1

P$2

VCC

trickou energii a zvyˇsovat takto napˇet´ı (na kondenzátorech) meziobvodu. Pokud nebude vyrobená energie nˇekde vyuˇzita, m˚ uˇze zp˚ usobit takov´ y nár˚ ust napˇet´ı, kter´ y v krajn´ım pˇr´ıpadˇe poˇskod´ı prvky elektrického obvodu a nebo vyˇrad´ı z ˇcinnosti cel´ y v´ ykonov´ y zdroj. Zabránit pˇrepˇet´ı meziobvodu má tzv. brzdn´ y odpor. Jedná se o v´ ykonov´ y odpor, kter´ y je analogov´ ymi prvky automaticky pˇripojován mezi napájec´ı svorky meziobvodu a zkra” tovává“ je. Elektrické schéma zapojen´ı odporu ukazuje obrázek 4.4. Napˇet´ı meziobvodu kontroluje Zenerova dioda D1 s pr˚ urazn´ ym napˇet´ım UZ = 39 V , pˇri pˇrekroˇcen´ı Zenerova napˇet´ı zaˇc´ıná vést proud, kter´ y vstupuje do báze Darlingtonova tranzistoru T1. Vybuzen´ y tranzistor s velk´ ym zes´ılen´ım dovoluje pr˚ uchod kolektorovému proudu, ˇc´ımˇz pˇres brzdn´ y ykonové svorky meziobvodu. Pˇred bázi Darlingtonova tranodpor R PWR zkratovává v´ zistoru je pˇripojen odpor R2, kter´ y má za u ´kol omezovat bázov´ y proud v pˇr´ıpadˇe vyˇsˇs´ıho nár˚ ustu napˇet´ı meziobvodu.

R2 220R/0.5W GND

Obrázek 4.4: Elektrické schéma zapojen´ı brzdného odporu. Kromˇe této automatické hardwarové ochrany pˇred pˇrepˇet´ım je napˇet´ı obvodu pˇrivedeno k ˇr´ıd´ıc´ımu modulu. Mikrokontrolér m˚ uˇze napˇet´ı monitorovat a v pˇr´ıpadˇe potˇreby provést dalˇs´ı softwarové zásahy (napˇr. odstaven´ı H-m˚ ustku). Na DPS s brzdn´ ym odporem je um´ıstˇeno také pole elektrolytick´ ych kondenzátor˚ u, které maj´ı za u ´kol blokovat napˇet´ı v´ ykonového zdroje bl´ızko pulsn´ıho proudového odbˇeru H-m˚ ustk˚ u. Odstraˇ nuj´ı tak parazitn´ı indukˇcnost delˇs´ı kabeláˇze. Kv˚ uli zv´ yˇsen´ı proudové propustnosti je lépe pouˇz´ıt v´ıce menˇs´ıch kondenzátor˚ u zapojen´ ych paralelnˇe, v naˇsem pˇr´ıpadˇe je zapojeno 10 elektrolytick´ ych kondenzátor˚ u, kaˇzd´ y o kapacitˇe 330 µF .

4.1.3. Zdroje Neménˇe d˚ uleˇzitá ˇca´st v´ ykonové elektroniky jsou zdroje. Pro v´ ykonovou ˇca´st jsou parametry zdroje jiˇz jasné, viz podkapitola 4.1.1. V´ yroba v´ ykonového AC/DC zdroje by byla 27

sama o sobˇe tˇeˇzká u ´loha, jednoduˇsˇs´ı bude vyuˇz´ıt snadno dostupné pr˚ umyslové zdroje stejnosmˇerného napˇet´ı. Pouˇzit´ y zdroj má jmenovitou hodnotu napˇet´ı 37 V a maximáln´ı proudov´ y odbˇer 8 A. Zdroj vˇsak potˇrebuje i ˇr´ıd´ıc´ı elektronika. Samotn´ y mikrokontrolér a jeho periferie potˇrebuj´ı pro sv˚ uj chod 3, 3 V , avˇsak pro napájen´ı H-m˚ ustk˚ u a senzor˚ u zat´ıˇzen´ı (viz podkapitola 4.2.2) potˇrebujeme napˇet´ı 12 V . Nab´ız´ı se moˇznost z´ıskávat 12 V z jiˇz usmˇernˇeného napˇet´ı 37 V , pˇri pouˇzit´ı lineárn´ıho napˇet’ového regulátoru by vˇsak vznikaly ne´ unosnˇe velké ˇ v´ ykonové ztráty. Reˇsen´ım je pouˇzit´ı sp´ınaného zdroje, at’ uˇz s´ıt’ového nebo DC/DC napojeného na v´ ykonov´ y zdroj. Proudov´ y odbˇer celé ˇr´ıd´ıc´ı elektroniky by nemˇel pˇrekroˇcit 0, 5 A, coˇz odpov´ıdá v´ ykonu zdroje nad 5 W . Z´ıskat niˇzˇs´ı hladiny napˇet´ı pro mikrokontrolér atd. jiˇz jednoduchou lineárn´ı regulac´ı nen´ı problém. Jako prozat´ımn´ı ˇreˇsen´ı pouˇz´ıváme 12 V vˇetev PC zdroje.

ˇ ıd´ıc´ı elektronika 4.2. R´ Pojem ˇr´ıd´ıc´ı elektronika v naˇsem pˇr´ıpadˇe oznaˇcuje krom ˇr´ıd´ıc´ıho mikrokontroléru také elektrické obvody obsluhuj´ıc´ı senzory (ˇci senzory samotné) a obvody pro komunikaci s nadˇrazen´ ym PC. Z d˚ uvodu náchylnosti ˇr´ıd´ıc´ıch obvod˚ u na ruˇsen´ı plynouc´ı z jejich um´ıstˇen´ı bl´ızko v´ ykonové elektroniky (t´ım sp´ıˇse ˇze je vyuˇz´ıvána pulsnˇe ˇs´ıˇrková modulace) je dobré zajistit elektromagnetické st´ınˇen´ı. Nejjednoduˇsˇs´ı je vloˇzit mezi v´ ykonovou a ˇr´ıd´ıc´ı ˇca´st plech vodiv´ y magneticky i elektricky, napˇr. bˇeˇzn´ y ˇzelezn´ y (resp. ocelov´ y). Mus´ı b´ yt dostateˇcnˇe tlust´ y, aby nedocházelo k jeho magnetickému pˇresycován´ı a elektricky uzemnˇen´ y. Na prototypu máme elektroniku um´ıstˇenou na desce pˇriˇsroubované k ocelové rozpˇeˇre. Rozpˇera rozdˇeluje elektroniku na ˇr´ıd´ıc´ı a v´ ykonovou a sama tak p˚ usob´ı jako st´ınˇen´ı. Pˇri rozm´ıstˇen´ı na desce jsou nav´ıc obˇe ˇca´sti od sebe pomˇernˇe daleko.

4.2.1. Mikrokontrol´ erov´ y modul ˇ ıd´ıc´ı mikrokontrolér mus´ı zvládat nˇekolikero ˇcinnost´ı. Konkrétnˇe se jedná o: R´ z´ıskáv´ an´ı dat ze signál˚ u senzor˚ u, jak analogov´ ych tak digitáln´ıch PWM modulaci pro dva DC motory (resp. pro dvojici H-m˚ ustk˚ u) komunikaci s PC pomoc´ı USB obsluhu signalizaˇcn´ıch LED atp. v´ ypoˇcty regulace pro dva DC motory v´ ypoˇcty filtr˚ u ˇci jiného zpracován´ı dat ze senzor˚ u.

28

Zvolen´ y mikrokontrolér by mˇel, kv˚ uli jednoduˇsˇs´ı a spolehlivˇejˇs´ı implementaci, m´ıt pro tyto ˇcinnosti hardwarovou podporu a samozˇrejmˇe dostateˇcn´ y v´ ypoˇcetn´ı v´ ykon. Vˇsechny poˇzadavky dobˇre splˇ nuj´ı mikrokontroléry z rodiny ATxmega firmy Atmel [4]. Pˇresto, ˇze mikrokontroléry maj´ı velké mnoˇzstv´ı modul˚ u a periferi´ı, jsou postaveny na jednoduch´ ych 8-bitov´ ych procesorech. Jediné, ˇc´ım mikrokontroléry nedisponuj´ı, je hardwarová podpora USB. Maj´ı vˇsak podporu pro USART, kter´ y lze pomoc´ı specializovan´ ych integrovan´ ych obvod˚ u jednoduˇse na USB pˇrevést. Pro pouˇzit´ı je vybrán typ ATxmega128A1, skupina ATxmega A1 je totiˇz z rodiny nejstarˇs´ı a má jiˇz dostatek podpory z hlediska dostupn´ ych programátor˚ u ˇci dostupnosti mikrokontrolér˚ u samotn´ ych. V prototypu je pouˇzita jednoduchá v´ yvojová deska osazená pouze samotn´ ym mikrokontrolérem s nezbytn´ ymi blokovac´ımi kondenzátory u napájec´ıch pin˚ u; krystalov´ ymi oscilátory o hodnotách 8 M Hz (pro taktován´ı jádra procesoru) a 32, 768 kHz (pro ˇc´ıtaˇc reálného ˇcasu); a napˇet’ov´ ym regulátorem pro napájen´ı mikrokontroléru (d´ıky nˇemu m˚ uˇzeme pro napájen´ı pouˇz´ıt napˇet´ı z ˇsirokého rozsahu od nomináln´ıho 3, 3 V aˇz po 15 V ). Na v´ yvojové destiˇcce jsou na standardn´ı kol´ıky vyvedeny vˇsechny piny mikrokontroléru a jeˇstˇe zvláˇst’ piny pro programátor. Vyuˇzit´ım v´ yvojové desky odpadá problém s v´ yrobou vlastn´ı desky a osazen´ım integrovaného obvodu s malou rozteˇc´ı pin˚ u, a v˚ ubec ulehˇcuje manipulaci pˇri v´ yvoji prototypu. K v´ yvojové desce s mikrokontrolérem je navrˇzena rozvodná DPS, zajiˇst’uj´ıc´ı vyveden´ı napájec´ıch napˇet´ı a signál˚ u k a od mikrokontroléru. Krom toho jsou na rozvodné desce um´ıstˇeny také filtry, pˇrevodn´ık USART USB, napˇet’ová reference A/D pˇrevodn´ıku a signalizaˇcn´ı LED. Napájec´ı napˇet´ı 3, 3 V pro mikrokontrolér, ale i pˇripojované moduly, zajiˇst’uje lineárn´ı napˇet’ov´ y regulátor na v´ yvojové desce. Moduly jsou k rozvodné desce pˇripojovány pomoc´ı kol´ıkov´ ych konektor˚ u se zámkem, maj´ı tak jednoznaˇcnou moˇznost zasunut´ı a ochranu proti samovolnému vysunut´ı. Signály z jednotliv´ ych modul˚ u jsou pˇrivedeny na patˇriˇcné piny, které dané vyuˇzit´ı umoˇzn ˇuj´ı, jak je popsáno v [3]. Analogové signály, tj. ze senzor˚ u zat´ıˇzen´ı, z proudov´ ych senzor˚ u, z akcelerometru a napˇet´ı meziobvodu, jsou pˇrivedeny na piny analogov´ ych“ port˚ u A a B. Veˇskeré ana” logové vstupy procház´ı low-pass filtrem, kv˚ uli vysokofrekvenˇcn´ımu odruˇsen´ı. Keramické kondenzátory filtr˚ u jsou um´ıstˇeny vˇzdy co nejbl´ıˇze vstupn´ım pin˚ um A/D pˇrevodn´ıku. Pro A/D pˇrevodn´ık je zajiˇstˇeno extern´ı referenˇcn´ı napˇet´ı 2, 5 V pomoc´ı integrovaného obvodu REF2925 firmy Texas Instruments. S touto hodnotou referenˇcn´ıho napˇet´ı má 12-bitov´ y pˇrevodn´ık rozliˇsen´ı 0, 61 mV . Analogové signály sn´ımaˇc˚ u mus´ı b´ yt upraveny tak, aby pˇri mˇeˇren´ı nedocházelo k saturaci A/D pˇrevodn´ıku, tedy aby maximáln´ı hodnoty pˇrivádˇeného signálu byly do 2, 5 V . Zároveˇ n by vˇsak také nemˇely b´ yt pˇr´ıliˇs n´ızké, aby vyuˇzily cel´ y rozsah.

29

Digitáln´ı signály jsou pˇrivádˇeny na vstupnˇe-v´ ystupn´ı piny mikrokontroléru, které jsou napojeny na dobˇre propracovan´ y systém událost´ı (event systém) s hardwarovou podporou. Kromˇe generován´ı r˚ uzn´ ych pˇreruˇsen´ı dokáˇze systém napˇr. zpracovávat kvadraturn´ı signál z enkodér˚ u. Aby vˇsak kvadraturn´ı signál z enkodér˚ u mohl event systém mikrokontroléru zpracovávat mus´ı b´ yt dva kanály enkodéru pˇrivedeny na po sobˇe jdouc´ı piny jednoho portu. Enkodéry máme pˇripojeny na piny PD0 aˇz PD3. Dále jsou pˇrivedeny signály chybov´ ych hláˇsen´ı z H-m˚ ustku na piny PK0 aˇz PK3 a v´ ystupn´ı signály pro reset H-m˚ ustk˚ u, piny PK4 a PK5. Pˇripojen´ y máme jeˇstˇe jeden d˚ uleˇzit´ y vstup (na pin PE2), urˇcen´ y pro stop tlaˇc´ıtko – pro potˇreby nouzového odstaven´ı v´ ykonové elektroniky. Na piny PJ2 aˇz PJ5 máme pˇripojeny stavové LED, pro potˇreby ladˇen´ı a pro signalizaci stav˚ u simulátoru. Signály PWM pro ˇr´ızen´ı motor˚ u generuje mikrokontrolér pomoc´ı ˇc´ıtaˇc˚ u, kaˇzdému pˇr´ısluˇs´ı urˇcité piny mikrokontroléru – H-m˚ ustky máme pˇripojeny na piny PC4, PC5 (ˇc´ıtaˇc TCC1) a PE4, PE5 (ˇc´ıtaˇc TCE1). Vyvedeny máme také 2 sériové linky USART, na pinech PF2, PF3 (USARTF0) a PF6, PF7 (USARTF1). Piny USARTF1 jsou vyvedeny pˇr´ımo na kol´ıky konektoru a jsou urˇceny pro komunikaci pomoc´ı sériového portu poˇc´ıtaˇce pro potˇreby ladˇen´ı aplikace, popˇr´ıpadˇe pro kontroln´ı v´ ypisy. USARTF0 slouˇz´ı jako hlavn´ı linka pro komunikaci s nadˇrazen´ ym PC, na kterém pobˇeˇz´ı simulace letu. Kv˚ uli kompatibilitˇe s modern´ımi PC je sériová linka pˇrevedena na USB pomoc´ı integrovaného obvodu FT232R firmy FTDI. Jedná se o jednu z velice jednoduch´ ych metod z´ıskán´ı plné kompatibility zaˇr´ızen´ı s rozhran´ım USB. Obrázek 4.5 znázorˇ nuje jeho elektrické zapojen´ı podle [6]. USB_1 R23

PN61729-S

4k7

USB_3 USB_2

GND

100n

C3

GND

USB_1 USB_2 USB_3 GND

VCC VCCIO

19

RESET

27 28

OSCI OSCO

470n

1 2 3 4

PC

USB

C15

10k

R4

R3

IC1 20 4

17

3V3OUT

15 16

USBDP USBDM

25

GND

FT232RL

TXD RXD RTS CTS DTR DSR DCD RI

1 5 3 11 2 9 10 6

CBUS0 CBUS1 CBUS2 CBUS3 CBUS4

23 22 13 14 12

TEST

26

GND GND GND

7 18 21

390R

R24

PF2 PF3

390R

GND

Obrázek 4.5: Elektrické schéma zapojen´ı pˇrevodn´ıku USB.

30

4.2.2. Zesilovaˇ c pro senzor zat´ıˇ zen´ı Pouˇzit´ y jednobodov´ y sn´ımaˇc zat´ıˇzen´ı firmy Zemic má podle katalogového listu [14] zes´ılen´ı tenzometrického mostu pˇri plném zat´ıˇzen´ı 2 mV /V . Doporuˇcovanému bud´ıc´ımu napˇet´ı 10 V odpov´ıdá pˇri zat´ıˇzen´ı 35 kg napˇet´ı na v´ ystupu tenzometrického mostu 20 mV . Abychom byli schopni pomoc´ı A/D pˇrevodn´ıku v ˇr´ıd´ıc´ım mikrokontroléru z´ıskávat rozumné hodnoty, mus´ıme signál ze sn´ımaˇce zat´ıˇzen´ı zes´ılit. Firma Texas Instruments vyráb´ı integrovan´ y obvod pˇr´ımo urˇcen´ y pro práci s elektrick´ ymi odporov´ ymi mosty. Jedná se o obvod INA125, kromˇe zesilovaˇce s diferenciáln´ım vstupem v sobˇe ukr´ yvá i regulovan´ y referenˇcn´ı zdroj napˇet´ı pro buzen´ı mostu. Napájen´ı zesilovaˇce m˚ uˇze b´ yt i nesymetrické3 , coˇz je v´ yhodné, protoˇze nemus´ıme ˇreˇsit zdroj záporného potenciálu, nav´ıc vzhledem k tomu ˇze v´ ystupn´ı signál bude pˇriveden na A/D pˇrevodn´ık schopn´ y zvládat jen kladná napˇet´ı, nen´ı ani záporn´ y v´ ystup ˇzádouc´ı. Zesilovaˇc umoˇzn ˇuje zes´ılen´ı v rozsahu 4÷10000 krát, dále umoˇzn ˇuje nastavit napˇet’ov´ y 4 offset v´ ystupu a posouvat tak nulu v´ ystupu zesilovaˇce, právˇe pro pˇr´ıpady nesymetrického napájen´ı. INA125 má ˇctyˇri u ´rovnˇe referenˇcn´ıho napˇet´ı pro napájen´ı mostu 1, 24 V ; 2, 5 V ; 5 V a 10 V . Zesilovaˇc má také ˇsiroké pásmo napájec´ıho napˇet´ı – pro nesymetrické 2, 7 ÷ 36 V . Napájen´ı by vˇsak mˇelo b´ yt vˇzdy alespoˇ n o 1, 2 V vyˇsˇs´ı neˇz pˇr´ıpadné v´ ystupn´ı napˇet´ı a o 1, 25 V vyˇsˇs´ı neˇz pouˇzité referenˇcn´ı (bud´ıc´ı) napˇet´ı. Frekvenˇcn´ı propustnost zesilovaˇce je závislá na velikosti zes´ılen´ı a pohybuje se v rozsahu asi 150 kHz (pˇri zes´ılen´ı 4 krát) aˇz po 0, 9 kHz (pˇri zes´ılen´ı 500 krát). Veˇskeré technické u ´daje pˇrevzaty z [12]. Na obrázku 4.6 je schéma zapojen´ı integrovaného obvodu INA125. Jako bud´ıc´ı napˇet´ı tenzometrického mostu je pouˇzito v´ yrobcem doporuˇcen´ ych 10 V . Dobr´ y regulovan´ y zdroj poskytuje referenˇcn´ı napˇet´ı obvodu INA125, abychom jej vˇsak mohli pouˇz´ıt mus´ı b´ yt samotn´ y INA125 napájen 12 V. Referenˇcn´ı napˇet´ı 10 V je proudovˇe pos´ıleno pomoc´ı tranzistoru T1, krom napájen´ı tenzometrického mostu je totiˇz také pouˇzito (po sn´ıˇzen´ı nastaviteln´ ym odporov´ ym dˇeliˇcem) jako offsetové napˇet´ı – pˇrivedeno na pin 5 (signál IAREF ). Promˇenn´ ym odporem R4 m˚ uˇzeme offsetové napˇet´ı nastavovat v rozmez´ı pˇribliˇznˇe 0 ÷ 1, 96 V . Zes´ılen´ı diferenciáln´ıho zesilovaˇce lze nastavovat pomoc´ı promˇenného odporu R2, v rozmez´ı pˇribliˇznˇe 49 ÷ 186 krát.

4.2.3. Akcelerometr Je pouˇzit akcelerometr firmy Analog Devices, typ ADXL327 (viz [2]). Jedná se o mal´ y akcelerometr v SMD pouzdˇre se tˇremi osami a rozsahem ±2 g. D´ıky malému rozsahu má pomˇernˇe velkou citlivost 420 mV /g a dobˇre se tak hod´ı pro sn´ımán´ı náklonu. 3

Pro nap´ ajen´ı staˇc´ı kladné napˇet´ı v˚ uˇci zemi, na rozd´ıl od symetrického napájen´ı, kde je potˇreba napˇet´ı kladné i z´ aporné. Nesymetricky nap´ ajen´ y zesilovaˇc vˇsak také nedokáˇze ˇr´ıdit v´ ystupn´ı napˇet´ı i pod nulov´ y potenci´ al (zem). 4 Hodnota napˇet´ı pˇriˇcteného k v´ ystupu zesilovaˇce.

31

+12V

IC1 GND

T1 BC847

V_REF-BG 13

GND

V_REF-2.5 14 V_REF-5 15

JP1

8K2

GND

10

V_O

11

100n

+

+12V E A

R4 2K

GND

C1

C2 470u

V_IN+

8

R_G1

R1 330R

IA_REF

S

6

S

TensoBridge

V_O

+12V

V_REF-10 16 V_REF-OUT4

V_IN+ V_INR3

1 2 3 4 5

12

5 1

V+

3

V-

SLEEP

9

R_G2

7

V_IN-

2

+12V

E

A

1K R2

INA125P

GND

Obrázek 4.6: Elektrické schéma zapojen´ı zesilovaˇce (INA125). Elektrické zapojen´ı je velice jednoduché, ADXL327 totiˇz nepotˇrebuje ˇzádné extern´ı elektronické prvky kromˇe blokovac´ıch kondenzátor˚ u na napájen´ı, které má hodnotu 3, 3 V . V´ ystupy jsou tˇri analogové signály odpov´ıdaj´ıc´ı namˇeˇrenému zrychlen´ı ze tˇr´ı os, analogové hodnoty maj´ı offset polovinu napájec´ıho napˇet´ı. Na kaˇzdém analogovém v´ ystupu jsou intern´ı sériové odpory velikosti pˇribliˇznˇe 32 kΩ, low-pass filtry ke kaˇzdému signálu jsou ˇreˇseny uˇz pouze paraleln´ım kondenzátorem. Kapacita kondenzátoru urˇcuje ˇs´ıˇrku pásma v´ ystupn´ıho signálu, v naˇsem pˇr´ıpadˇe pouˇz´ıváme kondenzátory o velikosti 470 nF , coˇz zajiˇst’uje ˇs´ıˇri pásma propustnosti do 10 Hz (pro pokles o 3 dB). Kondenzátory vˇsak nejsou um´ıstˇeny na DPS s akcelerometrem, ale (z d˚ uvodu lepˇs´ı odolnosti proti ruˇsen´ı) aˇz u ˇr´ıd´ıc´ıho mikrokontroléru co nejbl´ıˇze pin˚ um A/D pˇrevodn´ıku. Podle nastaven´ı A/D pˇrevodn´ıku (viz podkapitola 4.2.1) m˚ uˇzeme teoreticky rozliˇsit aˇz 688 d´ılk˚ u na 1 g, mˇeˇren´ı je vˇsak zat´ıˇzeno ˇsumem. Prakticky namˇeˇrená data po zpracován´ı (tedy ve formˇe u ´hlu náklonu) a po softwarové filtraci dávaj´ı pouˇzitelné hodnoty s rozliˇsen´ım 0, 5◦ . Pro potˇreby paraglidingového trenaˇzéru je rozliˇsen´ı dostateˇcné, zajiˇst’uje kolem 50 u ´rovn´ı v celém rozsahu vyklánˇen´ı v sedaˇcce a pˇribliˇznˇe 30 u ´rovn´ı pro pr˚ ubˇeh speed systému.

4.2.4. Enkod´ ery Enkodéry jsou pouˇzity pro mˇeˇren´ı u ´hlové polohy motoru, ˇcili pˇr´ımo odpov´ıdaj´ı hodnotˇe staˇzen´ı ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ury. Nejsou pouˇzity komerˇcn´ı v´ yrobky, které jsou pomˇernˇe drahé a tˇeˇzko by se u nich ˇreˇsilo mechanické pˇripojen´ı k motor˚ um. Enkodéry jsou poskládány z diskrétn´ıch 32

souˇcástek, viz elektrické schéma obr. 4.7. St´ın´ıc´ı clonky enkodéru jsou souˇcást´ı nav´ıjec´ıho bubnu jak je popsáno v podkapitole 3.2.2. Hodnoty odpor˚ u R3 a R4 omezuj´ıc´ıch proud infraˇcerven´ ymi LED a pull-up odpory R1 a R2 u fototranzistor˚ u jsou stanoveny tak, aby elektronika enkodéru byla kompatibiln´ı s 3, 3 V napájen´ım i logikou mikrokontroléru. CERVENA

PAD1

PAD3

T1

T2

B CERNA

180R

180R

R4 LED2

BILA

0

A

R3

270R

R2

270R

PAD2

LED1 R5

ZELENA

R1

+3.3V

PAD4 GND

Obrázek 4.7: Elektrické schéma fotoelektrického enkodéru. Oba v´ ystupy enkodéru jsou jeˇstˇe vyhlazeny filtrem typu doln´ı propust, kter´ y je z d˚ uvodu lepˇs´ı odolnosti proti ruˇsen´ı um´ıstˇen aˇz co nejbl´ıˇze vstupn´ım pin˚ um mikrokontroléru. Filtr je sloˇzen ze sériového odporu o hodnotˇe 1 kΩ a paraleln´ıho keramického kondenzátoru ˇ o kapacitˇe 100 nF . Casov´ a konstanta filtru τ má hodnotu: τ = 1 kΩ.100 nF = 0, 1 ms.

33

5. Programov´ a obsluha Posledn´ı prvek, kter´ y je nutno navrhnout, je program (nˇekdy téˇz naz´ yvan´ y firmware) pro ˇr´ıd´ıc´ı mikrokontrolér. Firmware je závisl´ y od typu pouˇzitého mikrokontroléru. Mus´ı b´ yt sloˇzen jen z pˇr´ıkaz˚ u dostupn´ ych v instrukˇcn´ı sadˇe procesoru. Odliˇsovat se m˚ uˇze také podle bitové ˇs´ıˇrky slova procesoru. Firmware je psan´ y v jazyku C, ˇc´ımˇz je alespoˇ n v jisté m´ıˇre zajiˇstˇena jeho pˇrenositelnost pro pˇr´ıpad pouˇzit´ı jiného mikrokontroléru. Zdrojov´ y kód je zpracován pomoc´ı pˇrekladaˇce a assembleru v´ yvojového prostˇred´ı IAR Embedded Workbench. V´ ystupem je soubor typu Intel-Hex, kter´ y je moˇzno pˇr´ımo pomoc´ı programátoru nahrát do programové pamˇeti mikrokontroléru. Zdrojov´ y kód i zkompilovan´ y v´ ystup jsou v elektronické pˇr´ıloze.

Obrázek 5.1: Schéma bˇehu programu. ´ Na obrázku 5.1 je znázornˇeno schéma bˇehu programu. Ulohy jsou rozdˇeleny mezi hlavn´ı program, obsluhu pˇreruˇsen´ı od ˇc´ıtaˇce a obsluhu pˇreruˇsen´ı pˇri pˇr´ıchodu znaku z PC. V obsluze pˇreruˇsen´ı od ˇc´ıtaˇce, která je spouˇstˇena s frekvenc´ı 5 kHz provád´ıme ty ˇcásti v´ ypoˇctu, u kter´ ych je nutno zajistit pˇresné ˇcasován´ı a to v následuj´ıc´ım sledu: mˇeˇren´ı hodnot sil v ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ urách a proud˚ u protékaj´ıc´ıch motory

34

v´ ypoˇcet regulátoru s´ıly ˇcten´ı hodnot z enkodér˚ u zajiˇstˇen´ı softwarov´ ych doraz˚ u1 motor˚ u odeˇc´ıt´ an´ı hodnot z akcelerometru

V obsluze pˇreruˇsen´ı pˇri pˇr´ıchodu znaku z PC je pˇr´ıjmová ˇca´st komunikaˇcn´ıho protokolu (po pˇrijet´ı celé zprávy docház´ı k nastaven´ı pˇr´ıznaku pro odeslán´ı odpovˇedi). A koneˇcnˇe v hlavn´ım programu bˇeˇz´ı procesy, u kter´ ych nezáleˇz´ı na pˇresném ˇcasován´ı a procesy zab´ıraj´ıc´ı delˇs´ı ˇcasové u ´seky. Konkrétnˇe se jedná o odes´ılac´ı ˇcást komunikaˇcn´ıho protokolu a pˇr´ıpadné odes´ılán´ı kontroln´ıch zpráv, napˇr. pro ladˇen´ı softwaru.

5.1. Obsluha senzor˚ u Jedn´ım z hlavn´ıch u ´kol˚ u programu je z´ıskán´ı, zpracován´ı a poté odes´ılán´ı dat ze senzor˚ u. Na simulátoru jsou dvˇe skupiny senzor˚ u. V prvn´ı skupinˇe jsou senzory ovládac´ıch prvk˚ u, coˇz jsou enkodéry u ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ ur a akcelerometr pro zjiˇstˇen´ı náklonu. Ve druhé skupinˇe jsou senzory pouˇz´ıvané pro ˇr´ızen´ı motor˚ u, tedy sn´ımaˇce zat´ıˇzen´ı (s´ıly v ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ urách), senzory proudu procházej´ıc´ıch motory a mˇeˇren´ı napˇet´ı meziobvodu. Za ˇr´ıd´ıc´ı senzor m˚ uˇzeme povaˇzovat také bezpeˇcnostn´ı stop tlaˇc´ıtko. Aˇckoliv pro funkci simulátoru jsou nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı data ze senzor˚ u ovládac´ıch prvk˚ u, pro chod samotné hardwarové ˇca´sti jsou mnohem d˚ uleˇzitˇejˇs´ı data z ˇr´ıd´ıc´ıch senzor˚ u. Pro zajiˇstˇen´ı kvalitn´ı regulace motor˚ u je potˇreba sn´ımat ˇr´ıd´ıc´ı data v pˇresn´ ych intervalech na pomˇernˇe vysoké frekvenci. Senzory m˚ uˇzeme také rozdˇelit podle jejich v´ ystupu na analogové a digitáln´ı. Zpracován´ı jejich signálu se podle toho znaˇcnˇe liˇs´ı.

5.1.1. Analogov´ e senzory Senzory analogové jsou pˇrivedeny na vstupy analogovˇe digitáln´ıch pˇrevodn´ık˚ u. ATxmega128A1 má pˇrevodn´ıky dva, kaˇzd´ y z nich má 4 multiplexované kanály. Na A/D pˇrevodn´ık A jsou pˇripojeny senzory s´ıly a senzory proudu, na pˇrevodn´ık B jsou pˇrivedeny vˇsechny tˇri osy akcelerometru a napˇet´ı meziobvodu. Nastaven´ı pˇrevodn´ıku provád´ıme pomoc´ı ovládac´ıch registr˚ u. Oba pˇrevodn´ıky máme nastaveny stejnˇe: referenˇcn´ı napˇet´ı 2, 5 V na pinu AREFA hodinov´ y zdroj pro bˇeh pˇrevodn´ıku (maximáln´ı moˇzn´ y) 2 M Hz 1

Podle hodnot z enkodér˚ u zamezuje dalˇs´ımu nav´ıjen´ı, resp. odv´ıjen´ı ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ury.

35

pˇrevod prob´ıh´ a jednorázovˇe (na vyˇzádán´ı) rozliˇsen´ı pˇrevodn´ıku 12-bit˚ u neznaménkov´ y pˇrevod (pˇrevád´ıme pouze kladná napˇet´ı)

Pomoc´ı registr˚ u také pˇriˇrazujeme piny k jednotliv´ ym kanál˚ um pˇrevodn´ıku. Pˇr´ıklad nastaveni pˇrevodn´ıku A, d´ıky vyuˇzit´ı od v´ yrobce dobˇre propracovaného systému maker je nastaven´ı patrno i ze samotného zdrojového kódu: 1 2 3 4 5 6 7

// ADCA - mereni sily a proudu ADCA.REFCTRL = ADC_REFSEL_AREFA_gc; // nastaveni reference ADCA.PRESCALER = ADC_PRESCALER_DIV16_gc; // nastaveni preddelicky hodin ADCA.CTRLA = ADC_ENABLE_bm; // povoleni A/D prevodniku ADCA.CH0.CTRL = ADC_CH_INPUTMODE_SINGLEENDED_gc; // neznamenkovy prevod ADCA.CH0.MUXCTRL = ADC_CH_MUXPOS_PIN1_gc; // prirazeni pinu ke kanalu 0 ... Pro spuˇstˇen´ı pˇrevodu je nadefinována funkce convert A(), která spouˇst´ı pˇrevod vˇsech 4 kanál˚ u pˇrevodn´ıku a vyˇcká na jeho dokonˇcen´ı. Funkce nemá ˇza´dné vstupy ani v´ ystupy, v´ ysledné hodnoty m˚ uˇzeme libovolnˇe ˇc´ıst z v´ ysledkov´ ych registr˚ u pˇr´ısluˇsného kanálu, napˇr. ADCA.CH0RES. Senzory ˇ r´ızen´ ych veliˇ cin Hodnoty nutné pro ˇr´ızen´ı motor˚ u mˇeˇr´ıme vˇzdy pˇred v´ ypoˇctem regulátoru. Kv˚ uli potlaˇcen´ı ˇsumu mˇeˇren´ ych veliˇcin je kaˇzdá namˇeˇrená hodnota pr˚ umˇerem z osmi po sobˇe jdouc´ıch vzork˚ u. Od namˇeˇren´ ych hodnot jsou jeˇstˇe odeˇcteny offsety, tak abychom z´ıskali znaménkovou hodnotu odpov´ıdaj´ıc´ı mˇeˇrené veliˇcinˇe. Zdrojov´ y kód z´ıskáván´ı hodnot s´ıly v levé ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ uˇre a proudu v levém motoru, kl´ıˇcové slovo s16 oznaˇcuje celoˇc´ıseln´ y 16-bitov´ y znaménkov´ y (signed) datov´ y typ:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

// mereni sily a proudu - prumer osmi vzorku s16 suma = 0; // deklarace souctovych promennych s16 suma2 = 0; for(u8 i=8; i; i--) //ziskani 8 vzorku { convert_A(); suma += SILA_1; // pricteni prave namereneho vzorku suma2 += PROUD_1; } force = suma>>3; // deleni osmi (bitovym posunem) force = force - 2000; // odecteni offsetu sily 36

12 13

current = suma2>>3; // deleni osmi current = current - 2250; // odecteni offsetu proudu Akcelerometr Hodnoty z akcelerometru mˇeˇr´ıme na konci zpracován´ı pˇreruˇsen´ı od ˇcasovaˇce. Protoˇze naklánˇen´ı a naklápˇen´ı akcelerometru neprob´ıhá pˇri provozu nijak rychle a malé dopravn´ı zpoˇzdˇen´ı hodnot z akcelerometr˚ u nevad´ı, m˚ uˇzeme si dovolit pouˇz´ıt jako filtr setrvaˇcn´ y ˇclánek prvn´ıho ˇrádu s relativnˇe velkou ˇcasovou konstantou. Kromˇe ˇsumu se tak zbav´ıme i vlivu parazitn´ıch“ zrychlen´ı vznikaj´ıc´ıch pohybem konstrukce. ” Filtrován´ı digitáln´ım setrvaˇcn´ ym ˇclánkem prob´ıhá podle rovnice 5.1 vycházej´ıc´ı z [7]. Symbol yk+1 oznaˇcuje v´ ystupn´ı hodnotu z filtru, yk hodnotu z pˇredchoz´ıho kroku filtrace, xk aktuálnˇe namˇeˇrenou hodnotu a Cf filtraˇcn´ı konstantu. Konstantu Cf lze vypoˇc´ıtat podle vzorce 5.2, je závislá na periodˇe (délce kroku) digitáln´ıho filtru Tf a poˇzadované ˇcasové konstantˇe filtru τ .

yk+1 = yk − Cf .yk + Cf .xk Tf Cf = τ

(5.1) (5.2)

Protoˇze v´ ypoˇcet filtru prob´ıhá s frekvenc´ı 5 kHz a ˇcasovou konstantu filtru vol´ıme pˇribliˇznˇe 0, 5 s, vycház´ı konstanta filtru Cf =

1 . 2500

Mikrokontrolér nemá hardwarovou podporu pro dˇelen´ı, ˇcili takov´ yto v´ ypoˇcet bˇeh programu ne´ umˇernˇe zpomaluje. Z d˚ uvodu implementace uprav´ıme hodnotu konstanty na Cf =

1 , 2048

ˇc´ıslo 2048 je totiˇz celoˇc´ıselnou mocninou ˇc´ısla 2 a v takov´ ychto pˇr´ıpadech m˚ uˇzeme dˇelen´ı ˇ v mikroprocesoru nahradit jednoduch´ ym bitov´ ym posunem. Casová konstanta filtru se sice m´ırnˇe posune, ale na jej´ı pˇresné hodnotˇe nám pˇr´ıliˇs nezáleˇz´ı. Nová hodnota ˇcasové konstanty je τ = 0, 4096 s. Aby pˇri dˇelen´ı nedocházelo k velk´ ym zaokrouhlovac´ım chybám provád´ıme v´ ypoˇcet s 32bitov´ ymi promˇenn´ ymi. Aˇz pˇri ˇcten´ı v´ ysledku pˇrevád´ıme hodnotu zpˇet na 16-bitovou. Implementace filtru v jazyce C, kl´ıˇcové slovo s32 oznaˇcuje celoˇc´ıseln´ y 32-bitov´ y znaménkov´ y (signed) datov´ y typ: 1 2

// filtr akcelerometru s32 akcel_x = 0; // promena pro prubezne ukladani hodnoty 37

3 4 5 6

convert_B(); // spusteni A/D prevodu // vypocet low-pass filtru akcel_x -= akcel_x>>11; akcel_x += ((s32)AKCEL_X<<16)>>11;

7 8

s16 akcel_x_res = akcel_x>>16; // vysledna filtrovana hodnota

5.1.2. Digit´ aln´ı senzory Typ˚ u digitáln´ıch signál˚ u je dlouhá ˇrada a v posledn´ı dobˇe se stále rozr˚ ustá. Kaˇzd´ y typ si ˇza´dá patˇriˇcné zpracován´ı, s porozumˇen´ım jeho podstaty. V naˇsem pˇr´ıpadˇe pouˇz´ıváme typy dva. Kvadraturn´ı signál z enkodér˚ u a logick´ y signál ze stop tlaˇc´ıtka. Enkod´ ery Signál enkodéru se skládá ze dvou kanál˚ u. Pˇri otáˇcen´ı hˇr´ıdelky enkodéru v obou kanálech prob´ıhaj´ı podobné obdéln´ıkové signály, vzájemnˇe jsou vˇsak fázovˇe posunuty o 90◦ . Podle jejich poˇrad´ı m˚ uˇzeme urˇcit smˇer otáˇcen´ı a kaˇzdá logická zmˇena v kterémkoli kanálu odpov´ıdá otoˇcen´ı o jeden d´ılek enkodéru. ATxmega disponuje hardwarov´ ym zpracován´ım kvadraturn´ıch signál˚ u. Zvyˇsuje tak spolehlivost a zjednoduˇsuje práci s nimi. Nev´ yhodou m˚ uˇze b´ yt pouze 16-bitov´ y ˇc´ıtaˇc puls˚ u enkodéru, pro naˇse u ´ˇcely vˇsak dostaˇcuje, jelikoˇz máme enkodéry s n´ızk´ ym poˇctem puls˚ ua do pracovn´ı oblasti se vejde pˇribliˇznˇe sedm otáˇcek. Dekódován´ı prob´ıhá pomoc´ı jednoho kanálu event systému, vstupem do nˇej jsou piny pˇripojené na enkodér. Na v´ ystup tohoto kanálu je pˇripojen jeden z 16-bitov´ ych ˇc´ıtaˇc˚ u. Hodnota ˇc´ıtaˇce pˇr´ımo odpov´ıdá mˇeˇrenému u ´hlu natoˇcen´ı. Postup nastaven´ı registr˚ u ATxmegy pro zpracován´ı kvadraturn´ıho signálu je následuj´ıc´ı. Dva po sobˇe jdouc´ı piny jednoho vstupnˇe-v´ ystupn´ıho portu, na které jsou pˇrivedeny kanály enkodéru, mus´ı b´ yt nastaveny jako vstupn´ı sn´ımaj´ıc´ı n´ızkou u ´roveˇ n. Prvn´ı z pin˚ u mus´ı b´ yt namapován na jeden z kanál˚ u event systému. Pˇr´ısluˇsnému kanálu mus´ıme povolit dekódován´ı kvadraturn´ıho signálu a nastavit poˇcet vzork˚ u digitáln´ıho filtru kanálu, od jednoho aˇz po osm. Dále mus´ıme nastavit zdroj ˇc´ıtaˇce na dekódován´ı kvadraturn´ıho signálu a namapovat na pouˇzit´ y kanál event systému. Nakonec ˇc´ıtaˇc spust´ıme. Nastaven´ı registr˚ u pro dekódován´ı enkodéru na levém motoru: 1 2 3 4 5 6

// nastaveni pinu na snimani nizke urovne PORTD.PIN0CTRL |= PORT_ISC_LEVEL_gc; PORTD.PIN1CTRL |= PORT_ISC_LEVEL_gc; // prirazeni pinu na kanal 0 event systemu EVSYS.CH0MUX = EVSYS_CHMUX_PORTD_PIN0_gc; // kanal 0 ev. sys. snimani kvadratury a dig. filt. z~8 vzorku 38

7 8 9 10 11

EVSYS.CH0CTRL = EVSYS_QDEN_bm | EVSYS_DIGFILT_8SAMPLES_gc; // citame kvadraturu a vstup z~kanalu 0 ev. sys. TCD0.CTRLD = TC_EVACT_QDEC_gc | TC_EVSEL_CH0_gc; // spusteni citace TCD0 TCD0.CTRLA = TC_CLKSEL_DIV1_gc; Stop tlaˇ c´ıtko Bezpeˇcnostn´ı tlaˇc´ıtko slouˇz´ı pro nouzové zastaven´ı motor˚ u, respektive odstaven´ı H-m˚ ustk˚ u. Po jeho stisknut´ı mikrokontrolér bezprostˇrednˇe uvede H-m˚ ustky do stavu RESET, ˇc´ımˇz vˇsechny v´ ykonové tranzistory pˇrejdou do stavu vysoké impedance, tj. stav podobn´ y rozˇ pojen´ı elektrického obvodu motoru. Cinnost obvodu s brzdn´ ym odporem vˇsak z˚ ustává zachována. Signál stop tlaˇc´ıtka je pˇriveden na pin mikrokontroléru schopn´ y generovat pˇreruˇsen´ı. Aby byla zajiˇstˇena rychlá odezva nastav´ıme nejvyˇsˇs´ı prioritu pˇreruˇsen´ı.

ˇ ızen´ı motor˚ 5.2. R´ u Stejnosmˇerné motory ovládáme pomoc´ı napˇet´ı pˇriloˇzeného na jeho svorky, jedná se o nejefektivnˇejˇs´ı zp˚ usob. D´ıky modulaci PWM m˚ uˇzeme napˇet´ı mˇenit plynule v rozmez´ı −37 ÷ 37 V . Motory ˇr´ıd´ıme tak, abychom dosáhli poˇzadované hodnoty s´ıly v ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ uˇre. Regulátor si m˚ uˇzeme pˇredstavit jako blok, do kterého vstupuje aktuálnˇe namˇeˇrená hodnota a poˇzadovaná hodnota s´ıly tahu v ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ uˇre, a na v´ ystup pos´ılá hodnotu napˇet´ı, které má b´ yt pˇriloˇzeno na svorky motoru. Poˇzadovanou hodnotu s´ıly nám pos´ılá hlavn´ı ˇr´ıd´ıc´ı PC. Vzhledem k tomu, ˇze simulace nebˇeˇz´ı na PC s real-time operaˇcn´ım systémem, ˇcasován´ı pˇr´ıchoz´ıch zpráv nen´ı z podstaty pravidelné. Za aktuáln´ıch podm´ınek z´ıskáváme poˇzadovanou hodnotu pˇribliˇznˇe 65-krát za sekundu. Regulátor vˇsak bˇeˇz´ı na frekvenci 5 kHz, pr˚ ubˇeh hodnoty poˇzadované s´ıly tak m˚ uˇze obsahovat relativnˇe velké skoky. Tyto skoky se mohou projevit i na v´ ystupu z regulátoru a zp˚ usobit nepˇrirozené pulsace s´ıly v ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ uˇre. Z tohoto d˚ uvodu nefiltrujeme hodnotu mˇeˇrené s´ıly tahu, ale aˇz hodnotu regulaˇcn´ı odchylky, tedy hodnotu rozd´ılu poˇzadované a aktuálnˇe namˇeˇrené hodnoty s´ıly. Takto jedinou filtrac´ı omez´ıme ˇsum sn´ımaˇce s´ıly i skoky poˇzadované hodnoty s´ıly. Pouˇz´ıváme filtr typu setrvaˇcn´ y ˇclánek 1. ˇrádu, stejn´ y jak´ y je popsán v podkapitole 5.1.1 v odstavci o akcelerometru, pouze s menˇs´ı ˇcasovou konstantou: τ = 0, 0512 s. Hodnota je opˇet volena s d˚ urazem na jednoduch´ y (rychl´ y) v´ ypoˇcet v mikrokontroléru – dˇelen´ı pouze ˇc´ısly rovn´ ymi celoˇc´ıselné mocninˇe dvojky.

39

Odzkouˇseny máme regulátory P a PI. Z nichˇz se lépe osvˇedˇcil jednoduˇsˇs´ı P regulátor. Zavádˇen´ım integraˇcn´ı sloˇzky se sice regulace (pˇreváˇznˇe pro ustálené hodnoty) zpˇresˇ nuje, avˇsak zvyˇsuje se setrvaˇcnost pohybu ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ury. Dále budeme zkouˇset PD regulátor, jehoˇz implementace m˚ uˇze b´ yt kv˚ uli ˇc´ıslicové derivaci sloˇzitˇejˇs´ı. Aktuálnˇe pouˇz´ıvan´ y P regulátor je ladˇen metodou pokus-omyl, hodnota zes´ılen´ı KP = 1, ˇcili hodnota regulaˇcn´ı odchylky je v nezmˇenˇené podobˇe pos´ılána na v´ ystup regulátoru. Soustava s t´ımto regulátorem nekmitá, h˚ uˇre vˇsak zvládá niˇzˇs´ı hodnoty sil, respektive rychlost nav´ıjen´ı ˇsn ˇ˚ ury pˇri niˇzˇs´ıch hodnotách poˇzadované s´ıly je malá. Implementace pouˇzitého regulátoru je natolik triviáln´ı, ˇze nebudeme zdrojov´ y kód uvádˇet, v pˇr´ıpadˇe zájmu si jej lze prohlédnout v elektronické pˇr´ıloze. K ˇr´ızen´ı motor˚ u patˇr´ı i tzv. softwarové dorazy, které nahrazuj´ı funkci koncov´ ych sp´ınaˇc˚ u. Na základˇe hodnot z enkodéru pˇr´ısluˇsného motoru zabrán´ıme dalˇs´ımu nav´ıjen´ı ˇci odv´ıjen´ı ˇsn ˇ˚ ury. Pˇri pˇrekroˇcen´ı nastaven´ ych mez´ı dovol´ıme pohyb pouze ve smˇeru, kter´ y vrac´ı motor do pracovn´ı oblasti. Implementace v jazyce C, pro lepˇs´ı pochopen´ı vysvˇetleme, ˇze hodnota z enkodéru se pˇri odv´ıjen´ı ˇsn ˇ˚ ury z poˇcáteˇcn´ı polohy pohybuje od 0 do záporn´ ych ˇc´ısel a kladná hodnota napˇet´ı na motoru zp˚ usobuje nav´ıjen´ı: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

// softwarove dorazy motoru_1 s16 enkoder = ENKODER_1; // nacteni hodnoty z~enkoderu if(enkoder >= 0) // vrchni doraz { if(voltage > 0) voltage = 0; } else if(enkoder <= -700) // spodni doraz if(voltage < 0) voltage = 0; // vystup z~regulatoru motor_1(voltage); Pracovn´ı oblast je (0; −700) v pulsech enkodéru. Funkce motor 1() je bl´ıˇze popsána v následuj´ıc´ı podkapitole 5.2.1.

5.2.1. Generov´ an´ı PWM Modulace PWM má nˇekolik parametr˚ u. Pˇrednˇe je vˇsak dobré podotknout, ˇze vyuˇzijeme unipolárn´ı ˇr´ızen´ı H-m˚ ustk˚ u, které má dvojnásobnou frekvenci v´ ystupn´ıho PWM vzhle40

dem k frekvenci sp´ınán´ı tranzistor˚ u, ˇc´ımˇz zajiˇst’uje niˇzˇs´ı zvlnˇen´ı proudu procházej´ıc´ıho motorem. S vyˇsˇs´ı frekvenc´ı se také v´ yraznˇe sniˇzuje akustick´ y hluk. [10] ATxmega má hardwarovou podporu PWM, zaloˇzenou na ˇc´ıtaˇci a porovnávac´ıch reˇ ıtán´ım puls˚ gistrech. C´ u taktovac´ı frekvence vzniká virtuáln´ı troj´ uheln´ıkov´ y signál, jehoˇz hodnota je neustále porovnávána s hodnotami zapsan´ ymi v porovnávac´ıch registrech. Logické hodnoty v´ ystup˚ u z tˇechto porovnán´ı jsou vyvedeny na piny ˇc´ıtaˇce, které tak tvoˇr´ı jednotlivé kanály pulsnˇe ˇs´ıˇrkové modulace. Mikrokontrolér má také hardwarovou podporu pro správnˇe naˇcasované obnovován´ı hodnot v porovnávac´ıch registrech, vˇse zajiˇst’uje automaticky. Rozhoduj´ıc´ım parametrem pulsnˇe ˇs´ıˇrkové modulace je frekvence sp´ınán´ı tranzistor˚ u. Vzhledem k implementaci do mikrokontroléru jsme omezeni velikost´ı nejvyˇsˇs´ı frekvence, kterou m˚ uˇzeme pouˇz´ıt jako zdroj ˇc´ıtaˇce, coˇz je v naˇsem pˇr´ıpadˇe frekvence jádra mikroprocesoru o hodnotˇe fµP = 32 M Hz. Dále nás omezuje rozliˇsen´ı v´ ystupn´ı hodnoty napˇet´ı, jaké potˇrebujeme dosáhnout. Mus´ıme tedy zvolit kompromis, pˇri kterém je dostaˇcuj´ıc´ı frekvence i rozliˇsen´ı. Zaˇcnˇeme rozliˇsen´ım, pro zajiˇstˇen´ı plynulé regulace je taktéˇz potˇrebná i plynule se mˇen´ıc´ı hodnota v´ ystupn´ıho napˇet´ı. Dostateˇcné by mohlo b´ yt 10-bitové rozliˇsen´ı, které nám na celém rozsahu h−37 V ; 37 V i dává teoretickou moˇznost rozliˇsen´ı v´ ystupn´ıho napˇet´ı: 37 V − (−37 V ) ≈ 0, 07 V. ∆U = 210 Pˇri této hodnotˇe rozliˇsen´ı a pouˇzit´ı symetrického troj´ uheln´ıkového signálu jsme schopni dosáhnout frekvence sp´ınán´ı tranzistor˚ u: fs =

32 M Hz = 15625 Hz. 2.210

V´ ysledná hodnota frekvence PWM bude fP W M = 2.15625 Hz = 31250 Hz, tato hodnota je dokonce nad slyˇsiteln´ ym spektrem, takˇze akustick´ y hluk mˇeniˇce je minimáln´ı. Velikost zvlnˇen´ı proudu procházej´ıc´ıho motorem m˚ uˇzeme odhadnout z velikosti elektrické ˇcasové konstanty motoru vypoˇc´ıtané z parametr˚ u vinut´ı motoru τe =

La 6 mH = = 4 ms. Ra 1, 5 Ω

Protoˇze vinut´ı motoru pˇredstavuje setrvaˇcn´ y ˇclánek 1. ˇrádu, m˚ uˇzeme vypoˇc´ıst i ˇs´ıˇri pásma propustnosti, resp. kritickou frekvenci fc (pˇri poklesu o 3 dB) za kterou má setrvaˇcn´ y ˇclánek u ´tlum 20 dB/dek fc =

1 1 = ≈ 39, 8 Hz. 2.π.τ 2.π.4 ms

Frekvence PWM je pˇribliˇznˇe o tˇri ˇra´dy vˇetˇs´ı neˇz frekvence kritická. To znamená, ˇze u ´tlum proudov´ ych pulsac´ı je pˇribliˇznˇe 60 dB. Hodnota u ´tlumu je vysoká a frekvence pulsnˇe ˇs´ıˇrkové modulace tak postaˇcuje. 41

Nastaven´ı registr˚ u mikrokontroléru pro zajiˇstˇen´ı v´ yˇse popsané PWM je následuj´ıc´ı. Pˇrednˇe je nutné nastavit piny kanál˚ u PWM jako v´ ystupn´ı. Dále uˇz nastavujeme registry ˇc´ıtaˇce, nejprve povol´ıme, aby hardware ˇc´ıtaˇce pˇrevzal kontrolu nad v´ ystupn´ımi piny. Dále nastav´ıme mód ˇc´ıtán´ı na symetrick´ y troj´ uheln´ıkov´ y s obnovován´ım porovnávac´ıch registr˚ u pˇri pr˚ uchodu nulou. Zap´ıˇseme hodnotu rozliˇsen´ı, resp. hodnotu horn´ı u ´vrati ˇc´ıtaˇce. Do porovnávac´ıch registr˚ u obou kanál˚ u zap´ıˇseme shodnou inicializaˇcn´ı hodnotu (aby na v´ ystupu H-m˚ ustku bylo 0 V ) a ˇc´ıtaˇc spust´ıme. Konkrétn´ı nastaven´ı registr˚ u pro lev´ y motor na pinech ˇc´ıtaˇce TCC1: 1 2 3 4 5 6 7 8

// nastaveni TCC1 - PWM pro motor_1 PORTC.DIRSET = (1<<4) | (1<<5); // vystupni piny // TCC1 ovlada vystupni piny a dual-slope mod TCC1.CTRLB = TC1_CCBEN_bm | TC1_CCAEN_bm | TC_WGMODE_DS_T_gc; TCC1.PER = 1024-1; // rozliseni 10 bitu (hodnota TOP) TCC1.CCA = 511; // inicializace stridy TCC1.CCB = 511; TCC1.CTRLA = TC_CLKSEL_DIV1_gc; // spusteni citace Pro ovládán´ı motor˚ u je dále nadefinována funkce motor(voltage) s parametrem voltage. Funkce ovládá stˇr´ıdu PWM, coˇz odpov´ıdá v´ ystupn´ımu napˇet´ı H-m˚ ustku. Pˇr´ıpustná hodnota parametru vzhledem k rozliˇsen´ı modulace je v rozmez´ı h−511; 511i, funkce je vˇsak proti hodnotám mimo definiˇcn´ı obor oˇsetˇrena – hodnotu vstupn´ıho parametru saturuje na -511 (pˇr´ıp. 511). Pro zmˇenu hodnoty v porovnávac´ıch registrech pulsnˇe ˇs´ıˇrkové modulace pouˇz´ıváme zásobn´ıky, do kter´ ych novou hodnotu uloˇz´ıme, mikrokontrolér automaticky zajist´ı pˇrepsán´ı hodnoty ze zásobn´ıku do porovnávac´ıho registru v momentˇe, kdy ˇc´ıtaˇc dosáhne hodnoty 0. Pˇred zápisem nov´ ych hodnot do zásobn´ık˚ u zakáˇzeme automatické pˇrepisován´ı hodnot do porovnávac´ıch registr˚ u, zabrán´ıme tak pouˇzit´ı ne zcela aktualizovan´ ych (chybn´ ych) dat. Zdrojov´ y kód funkce motor(voltage) pro lev´ y motor, makro SATURATE provede saturaci promˇenné (prvn´ı parametr) do zadan´ ych interval˚ u (2. a 3. parametr):

1 2 3 4 5 6 7 8 9

void motor(s16 voltage) { SATURATE(voltage,-511,511); // saturace vstupni hodnoty // zakaz aktualizace porovnavacich registru TCC1.CTRLFSET = TC1_LUPD_bm; // zapis nove hodnoty do zasobniku TCC1.CCABUF = 511+voltage; // unipolarni PWM TCC1.CCBBUF = 511-voltage; // povoleni aktualizace porovnavacich registru

42

TCC1.CTRLFCLR = TC1_LUPD_bm;

10 11

}

5.3. Komunikace s PC Komunikace hardwaru trenaˇzéru s poˇc´ıtaˇcem, na kterém simulace bˇeˇz´ı prob´ıhá pomoc´ı sériového portu. Na dneˇsn´ıch komerˇcn´ıch PC se vˇsak konektor sériové linky (RS-232) v´ıceménˇe nevyskytuje. Proto je pouˇzit integrovan´ y obvod FT232R (viz kapitola 4.2.1), kter´ y hardwarovˇe emuluje USB. V´ ysledn´ y efekt je, ˇze komunikujeme po jednoduché sériové lince, ale fyzicky jsme pˇripojeni pˇres USB.

5.3.1. USART Modul USART mikrokontroléru ATxmega128A1 zajiˇst’uje hardwarovou podporu pro komunikaci po sériové lince. Sériová komunikace m˚ uˇze, jak uˇz název Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter napov´ıdá, prob´ıhat ve v´ıce variantách. Vyuˇz´ıváme variantu asynchronn´ı, pro kterou je integrovan´ y obvod FT232R urˇcen. [6] Nastaven´ı modulu provád´ıme opˇet pomoc´ı registr˚ u mikrokontroléru. Parametry asynchronn´ı komunikace nastavujeme na hodnoty: rychlost komunikace 115200 bit/s osm datov´ ych bit˚ u jeden stop bit ˇza´dn´ a kontrola parity

Takovéto nastaven´ı dovoluje odes´ılat/pˇrij´ımat 11520 Byte/s. Postup nastaven´ı mikrokontroléru je následn´ y. Pin pˇrij´ımac´ı (tzv. RxD) nastav´ıme jako vstupn´ı s intern´ım pull-up rezistorem. Vys´ılac´ı pin (tzv. TxD) nastav´ıme jako v´ ystupn´ı. Poté jiˇz následuje konfigurace samotného modulu USART. Nastaven´ı rychlosti komunikace (tzv. Baud Rate) je sloˇzitˇejˇs´ı, v´ıce v [4]. Zde jen tolik, ˇze pro nastaven´ı poˇzadované rychlosti mus´ıme do registr˚ u BAUDCTRLA a BAUDCTRLB uloˇzit hodnoty vypoˇctené podle vzorc˚ u v [4]. Dále povol´ıme pˇreruˇsen´ı pˇri pˇr´ıchodu znaku a nastav´ıme mu n´ızkou prioritu, komunikace je totiˇz ve srovnán´ı s bˇehem ostatn´ıch ˇcást´ı programu pomalá a nezáleˇz´ı tolik na pˇresném naˇcasován´ı zpracován´ı. Poté uˇz staˇc´ı nastavit jen poˇcet datov´ ych bit˚ u a povolit pˇr´ıjem i odes´ılán´ı. Ostatn´ı zdánlivˇe nenastavené parametry jsou v´ ychoz´ı konfigurac´ı mikrokontroléru. Zdrojov´ y kód nastavuj´ıc´ı parametry modulu USART:

43

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

PORTF.PIN6CTRL = PORT_OPC_PULLUP_gc; // pull-up na RXD pinu PORTF.DIRSET = 1<<3; // nastavime TXD pin jako vystupni // nastaveni Baud Rate na 115.2kbaud USARTF0.BAUDCTRLA = 131; USARTF0.BAUDCTRLB = (u8)((-3) << USART_BSCALE_gp); // generuj preruseni pri prijmu znaku USARTF0.CTRLA = USART_RXCINTLVL_LO_gc; USARTF0.CTRLC = USART_CHSIZE_8BIT_gc; // 8 datovych bitu // povolime prijem i vysilani USARTF0.CTRLB = USART_RXEN_bm | USART_TXEN_bm;

Poznámka: Stejnˇe je nastaven i druh´ y USART pouˇzit´ y pro kontroln´ı v´ ypisy, pouze negeneruje pˇreruˇsen´ı pˇri pˇrijmu znaku. Odeslán´ı zprávy obsluhuje funkce putchar(c), parametr c je 8-bitová promˇenná – tj. osm datov´ ych bit˚ u poslan´ ych v jedné zprávˇe. Odes´ılané datové bity se uloˇz´ı do registru DATA a mikrokontrolér automaticky zajist´ı jejich odeslán´ı. Zdrojov´ y kód: 1 2 3 4 5 6 7

void putchar(u8 c) { // pockame na uvolneni registru DATA while(!(USARTF0.STATUS & USART_DREIF_bm)); // zapiseme zpravu k~odeslani USARTF0.DATA = c; } Pro jednoduˇsˇs´ı práci s odes´ılan´ ymi daty máme nadefinováno funkc´ı v´ıce. Napˇr´ıklad pro odes´ılán´ı promˇenné v zápisu ˇsestnáctkové soustavy puthex16(h) a mnoho dalˇs´ıch. Vˇsechny vˇsak vyuˇz´ıvaj´ı jako základ funkci putchar(c) a jsou k nahlédnut´ı v pˇriloˇzeném zdrojovém kódu firmwaru. Pˇrijaté zprávy jsou ukládány do hardwarov´ ych zásobn´ık˚ u, ˇc´ıst je m˚ uˇzeme opˇet z registru DATA. Moduly USART maj´ı registr pro pˇr´ıchoz´ı i odchoz´ı data spoleˇcn´ y, liˇs´ı se pouze funkc´ı pˇri ˇcten´ı nebo pˇri zápisu z/do nˇej.

5.3.2. Komunikaˇ cn´ı protokol Komunikace s nadˇrazen´ ym PC prob´ıhá podle domluveného protokolu formou otázky a odpovˇedi. Komunikaci vˇzdy zaˇc´ıná nadˇrazené PC zaslán´ım zprávy v urˇcitém tvaru, mikrokontrolér odpov´ıdá.

44

Zpráva pˇricházej´ıc´ı z PC obsahuje aktuáln´ı poˇzadované s´ıly v pravé a levé ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ uˇre. A zpráva pos´ılaná z mikrokontroléru nazpátek obsahuje hodnoty ze senzor˚ u, tj. velikost staˇzen´ı ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ ur a filtrované hodnoty zrychlen´ı ze vˇsech tˇr´ı os akcelerometru. Formát zpráv je v obou pˇr´ıpadech stejn´ y. Zpráva zaˇc´ıná startovac´ım znakem ’x’, za kter´ ym nasleduj´ı pˇrenáˇsené hodnoty. Hodnoty jsou pos´ılány ve formˇe znak˚ u ˇc´ısel ˇsestnáctkové soustavy, tzn. ˇze jedna 16-bitová promˇenná odpov´ıdá ˇctyˇrem pˇrenáˇsen´ ym znak˚ um. Jednotlivé hodnoty nejsou ve zprávˇe nijak oddˇeleny, ani nemaj´ı ˇzádné identifikátory. Komunikaˇcn´ı protokol tedy pˇresnˇe definuje poˇrad´ı jednotliv´ ych hodnot ve zprávˇe i jejich velikost (v bytech). Pˇr´ıklad zprávy pˇricházej´ıc´ı z hlavn´ıho PC s oznaˇcen´ım jej´ıho kódován´ı, 2 byte M SB LSB 1 byte

z }| { z}|{ z}|{ z}|{ x 01af | {z } |a5 {z b6} |ab {z } |{z}

start

FL

FP

status

hodnoty FL a FP jsou velikosti poˇzadovan´ ych sil v levé a pravˇe ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ uˇre – obˇe 16bitové promˇenné. Byte status je zat´ım nevyuˇz´ıvan´ y, nachystán je pro pos´ılán´ı pˇr´ıkaz˚ u typu spust’ ˇr´ızen´ı motor˚ u“ (pˇri zahájen´ı simulace) atp. V´ıcebytové hodnoty jsou pos´ılány ” od vyˇsˇs´ıho bytu (MSB) k niˇzˇs´ımu bytu (LSB). Pˇr´ıklad zprávy pos´ılané jako odpovˇed’ z mikrokontroléru, x 26d1 |{z} | {z } a5b6 | {z } a35c | {z } 9e0d | {z } dd91 | {z }

start

lL

lP

xacc

yacc

zacc

lL a lP jsou hodnoty staˇzen´ı levé a pravé ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ury a xacc , yacc a zacc jsou hodnoty zrychlen´ı v osách akcelerometru – vˇsechny 16-bitové promˇenné. Zpracován´ı pˇr´ıchoz´ı zprávy provád´ı funkce pˇreruˇsen´ı pˇri pˇr´ıjmu znaku z PC. Po pˇrijet´ı startovac´ıho znaku ’x’ zaˇcne funkce ukládat pˇr´ıchoz´ı znaky do softwarového zásobn´ıku. Pˇred vloˇzen´ım novˇe pˇr´ıchoz´ıho znaku do zásobn´ıku ovˇeˇr´ı, zda je z mnoˇziny ˇc´ıslic ˇsestnáctkové soustavy, tj. ’0’ö’9’ a ’a’ö’f’2 . Pokud nen´ı, zahazuje cel´ y zásobn´ık a ˇceká na nové pˇrijet´ı startovac´ıho znaku. Pokud vˇse probˇehne v poˇrádku, tedy pˇrijme 10 správn´ ych znak˚ u, rozloˇz´ı a pˇrevede celou zprávu na jednotlivé hodnoty a zap´ıˇse pˇr´ıznak pro odeslán´ı odpovˇedi. Zdrojov´ y kód zpracován´ı pˇr´ıjmu je pomˇernˇe dlouh´ y, zájemce m˚ uˇze nahlédnout do pˇriloˇzeného zdrojového kódu firmwaru. Pokud hlavn´ı program zjist´ı, ˇze je nastaven pˇr´ıznak pro odeslán´ı odpovˇedi, neprodlenˇe tak uˇcin´ı. Ze senzor˚ u ˇcteme data s frekvenc´ı 5 kHz, takˇze odes´ılané hodnoty jsou vˇzdy aktuáln´ı. Pro odeslán´ı 16-bitové promˇenné vyuˇz´ıváme funkci puthex16(h) (viz podkapitola 5.3.1), která se jiˇz sama postará o pˇrevod ˇc´ısla na znaky ˇc´ısel ˇsestnáctkové soustavy. Komunikace m˚ uˇze pomoc´ı tohoto protokolu a za stávaj´ıc´ıho nastaven´ı sériové linky, bˇeˇzet s frekvenc´ı pˇribliˇznˇe 500 cykl˚ u3 za sekundu. Skuteˇcná rychlost se vˇsak m˚ uˇze mˇenit 2 3

Veˇskeré znaky (vyjma ˇc´ıslic) mus´ı b´ yt minuskule, neboli malá p´ısmena. Jeden cyklus je pˇr´ıjem zpr´ avy z PC a odeslán´ı odpovˇedi.

45

a závis´ı na ˇr´ıd´ıc´ım poˇc´ıtaˇci, s jakou frekvenc´ı si data bude ˇza´dat. Protoˇze pˇrevád´ıme binárn´ı data na znaky ˇc´ısel ˇsestnáctkové soustavy4 , mus´ıme odes´ılat dvakrát v´ıce byt˚ u neˇz je obsaˇzeno v pˇrenáˇsen´ ych promˇenn´ ych. Avˇsak rychlost komunikace je i tak dostateˇcná. Nav´ıc z´ıskáme jistou dávku ochrany pˇred chybami pˇri pˇrenosu dat, a také jednoduchost a variabilitu pos´ılan´ ych zpráv.

4

Jednomu bytu odpov´ıdaj´ı dvˇe ˇc´ıslice ˇsestnáctkové soustavy a jeden odes´ılan´ y znak je byte.

46

6. Z´ avˇ er ´ Ukol navrhnout trenaˇzér pˇristán´ı na padákovém kluzáku byl splnˇen. Navrˇzená konstrukce je jednoduchá, rozeb´ıratelná a umoˇzn ˇuje nastaven´ı v´ yˇsky rozpˇery1 . Zavˇeˇsen´ı sedaˇcky na konstrukci je stejné jako na reálném padáku. Umoˇzn ˇuje nácvik ˇr´ızen´ı padáku pomoc´ı vˇsech základn´ıch ovládac´ıch prvk˚ u. Coˇz je kromˇe ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ ur a speed systému také ˇr´ızen´ı pomoc´ı náklonu v postroji. Nepˇr´ıjemnou vlastnost´ı je houpán´ı“ konstrukce pˇri pohybu ” pilota v postroji, nen´ı vˇsak nijak markantn´ı. Elektronika simulátoru zahrnuje v´ ykonovou ˇcást, která zajiˇst’uje napájen´ı motor˚ u pomoc´ı H-m˚ ustk˚ u i ˇr´ıd´ıc´ı ˇca´st postavenou na mikrokontroléru ATxmega128A1. Kromˇe obvod˚ u jsou navrˇzeny i veˇskeré DPS. Jejich funkˇcnost je odzkouˇsena na prototypu. Elektronika je dostateˇcnˇe nadimenzována, aby se dala pouˇz´ıt i s v´ ykonnˇejˇs´ımi motory. DPS pro fináln´ı v´ yrobek by se mˇely kv˚ uli vyˇsˇs´ı spolehlivosti nechat vyrobit pr˚ umyslovˇe. Program pro ˇr´ıd´ıc´ı mikrokontrolér je psán v jazyce C a obsahuje inicializace pouˇz´ıvan´ ych modul˚ u a periféri´ı a základn´ı obsluˇzné funkce pro práci s nimi. Navrˇzena je i jednoduchá regulace s´ıly v ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ urách. Stávaj´ıc´ı rozvrˇzen´ı umoˇzn ˇuje snadné zkouˇsen´ı a ladˇen´ı aplikace. Ovládac´ı prvky navrˇzeného zaˇr´ızen´ı jsou velice podobné s tˇemi reálného padáku. Elektronické ˇr´ızen´ı tahu v ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ urách zajiˇst’uje vysokou variabilitu, tud´ıˇz m˚ uˇzeme jednoduˇse simulovat ˇr´ızen´ı r˚ uzn´ ych typ˚ u padák˚ u a nebo r˚ uzné letové situace (nejen pˇristáván´ı). Trenaˇzér tak m˚ uˇze slouˇzit i pro prvn´ı pˇribl´ıˇzen´ı pˇri nácviku nebezpeˇcn´ ych letov´ ych reˇzim˚ u. Dalˇs´ı postup bude testován´ı vyrobeného prototypu s instruktorem padákového létán´ı a co nejlepˇs´ı naladˇen´ı ˇr´ızen´ı s´ıly tahu. Pomoc´ı senzor˚ u trenaˇzéru m˚ uˇzeme také lépe odhadnout s´ıly a rychlosti pohybu ˇr´ıd´ıc´ıch ˇsn ˇ˚ ur reálného padákového kluzáku. A koneˇcnˇe na základˇe vˇsech z´ıskan´ ych dat a zkuˇsenost´ı z prototypu vyrobit fináln´ı zaˇr´ızen´ı.

1

Nastaven´ı v´ yˇsky rozpˇery urˇcuje (jak je popsáno v kapitole 3.1) ˇzivost“ ˇr´ızen´ı padáku náklonem. ”

47

Seznam pouˇ zit´ e literatury [1] Allegro MicroSystems, Inc. ACS712 : Fully Integrated, Hall Effect-Based Linear Current Sensor IC with 2.1 kVRMS Isolation and a Low-Resistance Current Conductor [online]. Rev. 13. [s.l.] : [s.n.], [200?] [cit. 2011-05-16]. Dostupné z WWW: . [2] Analog Devices, Inc. ADXL327 : Small, Low Power, 3-Axis ±2 g Accelerometer [online]. Rev 0. [s.l.] : [s.n.], 08/2009 [cit. 2011-05-14]. Dostupné z WWW: . [3] Atmel Corporation. XMEGA A1 Microcontroller : ATxmega64A1/128A1/192A1/256A1/384A1 Preliminary [online]. revision M. [s.l.] : [s.n.], 2008, updated 9/10 [cit. 2011-05-14]. Dostupné z WWW: . [4] Atmel Corporation. XMEGA A Microcontroller : XMEGA A Manual Preliminary [online]. revision H. [s.l.] : [s.n.], 2008, updated 12/09 [cit. 2011-05-14]. Dostupné z WWW: . [5] El Speedo s.r.o. El Speedo [online]. c2002 [cit. 2011-04-28]. Dostupné z WWW: . [6] Future Technology Devices International Ltd. FT232R : USB UART IC [online]. Version 2.09. [s.l.] : [s.n.], August 2005, April 2011 [cit. 2011-05-16]. Dostupné z WWW: . [7] KLÍMA, Bohumil. Mikroprocesorové ˇr´ızen´ı elektrických pohon˚ u Brno : skripta VUT, 2007. 43 s. [8] NOVA Vertriebsges.m.b.H. Nova International [online]. [cit. 2011-04-28]. Dostupné z WWW: . [9] PLOS, Richard, a kol. Paragliding. Cheb: Svˇet kˇr´ıdel, 2010. 232s. ISBN 978-80-8680878-9. ´ Jiˇr´ı. Elektrické regulované pohony. Brno : skripta VUT, 2007. 123 s. [10] SKALICKY, [11] Texas Instruments Incorporated. DRV8402 : Dual Full Bridge PWM Motor Driver [online]. [s.l.] : [s.n.], Feb 2009 [cit. 2011-05-10]. Dostupné z WWW: .

48

[12] Texas Instruments Incorporated. INA125 : Instrumentation Amplifier [online]. [s.l.] : [s.n.], 1997, 27 Sep 2000 [cit. 2011-05-14]. Dostupné z WWW: . [13] World XContest 2011 : XContest — biggest worldwide online paragliding & hanggliding contest [online]. c2006 [cit. 2011-04-27]. Dostupné z WWW: . [14] Zemic Europe B.V. L6D load cell [online]. Rev6. [s.l.] : [s.n.], 2011 [cit. 2011-0514]. Dostupné z WWW: .

49

Seznam pouˇ zit´ ych zkratek a symbol˚ u A/D

analogovˇe digitáln´ı (pˇrevodn´ık)

DC

z angliˇctiny Direct Current (stejnosmˇern´ y proud)

DPS

deska ploˇsn´ ych spoj˚ u

LSB

z angliˇctiny Least Significant Byte (nejniˇzˇs´ı byte)

MEMS

z angliˇctiny Micro-Electro-Mechanical Systems (mikroelektromechanické systémy)

MSB

z angliˇctiny Most Significant Byte (nejvyˇsˇs´ı byte)

P

proporˇcn´ı (regulátor)

PC

z angliˇctiny Personal Computer (osobn´ı poˇc´ıtaˇc)

PD

proporˇcnˇe-derivaˇcn´ı (regulátor)

PI

proporˇcnˇe-integraˇcn´ı (regulátor)

PWM

z angliˇctiny Pulse Width Modulation (pulsnˇe ˇs´ıˇrková modulace)

USART

z angliˇctiny Universal Synchronous / Asynchronous Receiver and Transmitter (Synchronn´ı / asynchronn´ı sériové rozhran´ı)

USB

z angliˇctiny Universal Serial Bus (univerzáln´ı sériová sbˇernice)

50

τ [s]

ˇcasová konstanta filtru typu doln´ı propust

τe [s]

elektrická ˇcasová konstanta motoru

ω [rad/s]

u ´hlová rychlost motoru

cφ [V.s/rad]

napˇet’ová a momentová konstanta DC motoru s permanentn´ımi magnety

Cf [1]

filtraˇcn´ı konstanta digitáln´ıho filtru typu doln´ı propust

db [m]

pr˚ umˇer nav´ıjec´ıho bubnu

fµP [Hz]

taktovac´ı frekvence mikroprocesoru

fc [Hz]

kritická frekvence filtru typu doln´ı propust

FL , FP [N ]

tahová s´ıla v ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ uˇre levé a pravé

Fmax [N ]

maximáln´ı tahová s´ıla v ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ uˇre

fs [Hz]

frekvence sp´ınán´ı tranzistoru H-m˚ ustku

fP W M [Hz]

frekvence PWM pro motory

i [A]

proud motorem

In [A]

nomináln´ı proud motorem

KP [1]

konstanta (zes´ılen´ı) P regulátoru

La [H]

indukˇcnost vinut´ı motoru

lL , lP [m]

délka odvinuté ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ury levé a pravé

M [N m]

moment na hˇr´ıdeli motoru

Mm [N m]

mechanick´ y moment motoru

Mn [N m]

nomináln´ı moment motoru

Mz [N m]

zábˇern´ y moment motoru

n [ot/min]

otáˇcky motoru

nn [ot/min]

nomináln´ı otáˇcky motoru

P1 [W ]

pˇr´ıkon motoru

Pmech [W ]

mechanick´ y v´ ykon motoru 51

Ra [Ω]

odpor vinut´ı motoru

rb [m]

polomˇer nav´ıjec´ıho bubnu

t [s]

ˇcas

Tf [s]

délka kroku digitáln´ıho filtru

U [V ]

napˇet´ı

ui [V ]

indukované napˇet´ı motoru

Un [V ]

nomináln´ı napˇet´ı motoru

UZ [V ]

pr˚ urazné napˇet´ı Zenerovy diody

vmax [m/s]

maximáln´ı rychlost pohybu ˇr´ıd´ıc´ı ˇsn ˇ˚ ury

xacc , yacc , zacc [m/s2 ]

zmˇeˇrené hodnoty z jednotliv´ ych os akcelerometru

xk

aktuálnˇe namˇeˇrená hodnota k filtraci

yk+1

v´ ystupn´ı hodnota z digitáln´ıho filtru

yk

hodnota z pˇredchoz´ıho kroku filtrace digitáln´ıho filtru

52

Seznam pˇ r´ıloh K diplomové práci je pˇriloˇzen kompaktn´ı disk s následuj´ıc´ımi dokumenty v elektronické podobˇe. El. schemata a DPS

Veˇskerá elektronická schemata zapojen´ı a navrˇzené DPS, ve formátu projekt˚ u programu EAGLE.

Firmware

Ve formátu projektu v´ yvojového prostˇred´ı IAR Embedded Workbench. Obsahuje zdrojov´ y kód v jazyce C i zkompilovan´ y program.

Diplomov´ a pr´ ace

Elektronická podoba práce ve formátu pdf a jej´ı zdrojov´ y kód v LATEXu.

53

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV MECHANIKY TĚLES, MECHATRONIKY A BIOMECHANIKY

Recommend Documents