MOŽNOSTI NASTAVENÍ RC MODELU KYOSHO INFERNO GT A JEHO VYUŽITÍ V EDUKAČNÍM PROCESU

Trendy ve vzdělávání 2009 Technika, materiály, technologie a didaktika

MOŽNOSTI NASTAVENÍ RC MODELU KYOSHO INFERNO GT A JEHO VYUŽITÍ V EDUKAČNÍM PROCESU LÁTAL Jan – KOUDELKA Petr, ČR Resumé Vědecká studie polemizuje nad významem a možnostmi využití modulů RC Kyosho ze současného pohledu a nástin vývoje do budoucna. Z hlediska nových technologií přináší z automobilového průmyslu do vzdělávacího procesu obecně technického předmětu řadu pozitivních inovací. Osobitý důraz klade na souhru jednotlivých komponent jako monolitického funkčního systému pro reálnou simulaci funkce osobního automobilu. Klíčová slova: RC model, motor, karburátor. POSSIBLE SETTING OF RC MODEL KYOSHO INFERNO GT AND ITS USAGE FOR EDUCATION PROCESS Abstract The sciences study deals with the significance, possibility usage for contemporary view, and sketch new technology in the car industry of progress for the next generation point of view on education process of common technical subject. A special attention is devoted to summary components monolithic functional system for the real simulation of function the car. Key words: RC model, engine, carburetter. 1 Úvod V současné době jsou možnosti výuky problematiky motorů automobilů a obecně automobilismu nižšího sekundárního vzdělání do značné míry omezené. Musíme si však uvědomit, že neustále stoupá mezi žáky zájem o netradiční sporty spojené s automobilismem. Pro hledání talentu a formování klíčových kompetencí je nutno postoje rozvíjet od ranějších let, aby měly čas pro optimální zrání a vývojový progres (1, s. 153). Při hledání vhodných příkladů pro demonstraci by mohly posloužit produkty firmy Kyosho. Ta se dlouhodobě zabývá konstrukcí a vývojem RC modelů na bezdrátové ovládání pomocí rádiových systémů, k nimž v posledních letech přibyly i modely se spalovacími benzínovými motory. Díky své jednoduché konstrukci je na nich možno demonstrovat řadu jevů z termodynamiky (p-V diagramy), strojů a zařízení (ozubené převody), elektroniky (servomotor) a optiky (rádiové signály). Záměrem studie je primárně předložit podklad pro potenciální možnosti využití modelů Kyosho Inferno GT v procesu výuky jako prvku demonstrace (2, s. 8). Hlavní důraz klade na popis současného konceptu řízení RC modelu auta a také možnost jeho úpravy z radiového systému do optického pro netradiční výzkum optických buňkových systému uvnitř místností.

105


2 Obecná klasifikace částí RC modelu V obecné rovině můžeme elektronickou část RC modelu auta rozdělit do třech základních částí (3): 1) Systém pro řízení auta (2 ks servomotorů). 2) Systém pro řízení auta na dálku (v současné době radiový). 3) Systém pro vyhodnocování a ovládání řízení auta. Stále více se v současné době mluví v oblasti optoelektroniky o využití technologie LED diod, potažmo výkonových LED diod, jako náhrada běžných svítidel. Výhodou LED diod je velká světelná účinnost podobná vysokotlakým sodíkovým výbojkám (80 - 120 lm/W) a také velmi vysoká životnost (> 50 tisíc hodin). Osvětlovacích systémy uvnitř budov, které využívají LED diod, je možné s výhodou využit i pro komunikaci. Při vhodném rozmístnění osvětlovacích systému je možné celou místnost rozdělit do optických komunikačních buněk. Výsledkem bude dokonale osvětlená místnost a zároveň možnost v každém místě se připojit do dané komunikační sítě. Popisovaný optický buňkový systém pro vnitřní části budov se jeví jako alternativa k radiovým systémům (WiMAX, WiFi atd.) (4, s. 579), přičemž nabízí spoustu výhod, jako je zabezpečená komunikace, možnost v další místnosti opakovat komunikační kanály (světlo neprostupuje skrz zdi domu), žádná regulace Komunikačním úřadem a také zpřístupnění širokopásmových služeb. 3 Systém pro řízení auta V modelářské praxi se využívá pro řízení modelů servomotorů. Klasickým zástupcem využití v praxi jsou RC modely. V modelu se celkem nachází dvojice servomotorů. První „servo“ je použito pro ovládání směru jízdy auta a druhé „servo“ pro ovládání škrticí klapky u motoru auta součastně v krajní poloze pro ovládání brzdy. U modelové řady je použit servomotor Kyosho PERFEX ks-302ds (viz obr. 1).

Obr. 1: Servomotor Kyosho PERFEX ks-302ds.

Vnitřní struktura servomotoru je složena z hned několika částí, jak je uvedeno na obr. č. 2.

106


Výstupní Páka

Potenciomet

Převod

Servokabel

Moto Krabičk

Elektronika

Obr. 2: Vnitřní struktura servomotoru.

4 Motor a převody Velikost motoru je přibližně úměrná síle (tahu) "serva". Zdvihový objem je závislý na konstrukčním řešení modelu, požadované rychlosti s ohledem na použité palivo, spotřebu, celkovou váhu vozidla a seskládání převodů. Pro off-road modely nejsou vyloučeny ani zdvihové objemy nad 5 cm3. V našem případě se jednalo o motor GXR-28 se zdvihovým objemem 4,53 cm3 umožňující RC modelu dosahovat maximální rychlosti VMAX = 100 km/h (5). Výrobce pro RC modely doporučuje speciální vysokooktanová paliva (6, s. 634) s 25% obsahem N2O. O výborný přenos hnací síly na vozovku se starají super měkké drážkové pneumatiky s vysokou přilnavostí. Převodový poměr určuje poměr mezi rychlostí a tahem "serva". Běžné je, že se "serva" vyrábějí ve dvojicích, které mají stejný motor a elektroniku, ale liší se převody např. HS-625 a HS-645 (7). Jedno z nich je potom silnější, ale pomalejší, druhé má zvýšenou rychlost na úkor tahu. Převody jsou nejčastěji plastové, pro větší zatížení a spolehlivost nelze vyloučit ani použití kovových. Pro profesionální nasazení do naší oblasti začínají pronikat moderní materiály z Formule 1, jako titanové a hliníkové slitiny anebo kompozitní materiály na bázi uhlíku. 5 Potenciometr a výstupní hřídel Potenciometr snímá polohu výstupního hřídele a uzavírá tak zpětnou vazbu zajišťující správnou činnost "serva". U menších a levnějších servomotorů je potenciometr připojen přímo na výstupní hřídel, u servomotorů vyšších kategorií je připojen přes zvláštní převod (tzv. nepřímý náhon), který velmi účinně chrání před přenosem vibrací. Poškození odporové dráhy potenciometru se může projevovat jako "škubání serva" v určité poloze nebo "chvění" v neutrální poloze (8). Výstupní hřídel přenáší pohyb mechanismu "serva" na ovládací páku. U servomotorů menších a nižších kategorií je uložen v plastovém pouzdru, "serva", u vyšších kategorií mají pro přesnější chod a vyšší životnost kuličková ložiska (jednoduchá nebo dvojitá). 6 Přívodní kablík Tří-žilový "kablík" se silikonovou izolací s velkou ohebností. U servomotorů větších rozměrů bývá z krouceného vodiče pro potlačení indukce rušivých napětí při vysokých proudech. Jedním vodičem se přivádí napájení (+), druhým napájení (-)

107


a třetím signál, který "servo" zpracuje. Mezi modeláři jsou typy konektorů známy pod názvy JR a FUTABA (viz obr. 3). Konektor JR má obdélníkový průřez se zkosenými hranami na jedné straně. Konektor FUTABA má na boku "praporek", neumožňující konektoru instalaci s obrácenou polarizací. Obráceným zasunutím konektoru do přijímače se "servo" nezničí, jenom nefunguje. Přesunutí konektoru o rozteč, které některé přijímače bohužel dovolují, skončí spálením "serva"!

Obr. 3: Konektory FUTABA a JR.

7 Princip činnosti servomotoru Jak již bylo uvedeno, dnešní servomotory obsahují elektromotor s převodovkou a řídící elektroniku. Zjednodušené blokové schéma servomotoru je vyobrazeno na obr. 4. Do vstupu přichází řídící impuls, který spustí monostabilní klopný obvod, ten vygeneruje impuls o délce odpovídající momentální poloze serva a opačné polarity, než je vstupní řídící impuls. Vytvořené dva impulsy se porovnají a výsledkem je rozdílový impuls, který po zesílení přes můstkový spínač způsobí roztočení elektromotoru jedním nebo druhým směrem. Můstkový

Vstup

MKO

M Rozdílový Potenciometr

Obr. 4: Blokové schéma servomotoru.

Elektromotor přes převodovku otáčí výstupní hřídelí a současně i potenciometrem, jenž působí jako zpětná vazba do monostabilního klopného obvodu. Směr otáčení je takový, že impuls generovaný monostabilním klopným obvodem se svojí délkou přibližuje délce vstupního řídícího impulsu a až jsou oba impulsy stejně dlouhé, elektromotor se zastaví. Servomotor dosáhl polohu, jež odpovídá momentálně přijímanému řídícímu impulsu. Mechanické provedení "serva" může být takové, že "servo" je schopno pohybu v rozsahu o něco větším než 180 stupňů, ale není to pravidlem. Většina servomotorů má na koncích rozsahu pohybu mechanické blokování, na což je potřeba dávat pozor,

108


protože při dojetí na doraz se výrazně zvýší proud odebíraný servomotorem a může to skončit tím, že shoří jeho elektronika. 8 Systém pro řízení auta na dálku V současné době je RC model auta řízen dálkově pomocí radiových signálů. Využívá se amplitudové modulace (9) ASK (Amplitude Shift Keying). Amplitudová modulace patří mezi nejjednodušší druhy modulací pro přenos číslicového signálu. Harmonický nosný signál je amplitudově modulován datovým signálem, který nabývá diskrétních hodnot (pro binární signál obvykle log0 a log1). V praxi je rozšířené tzv. dvoustavové kódování. Podle typu logiky stavy odpovídají log1 a log0. Jde o ASK s hloubkou modulace 100 % – viz obr. 5. Její největší výhodou je jednoduchost modulace i detekce (demodulace) na přijímací straně. Náchylnost k poruchám je její největší slabinou. Zlepšení odolnosti se dociluje použitím menší hloubky modulace, při které nedochází k přerušení signálu. Z pohledu detekce je však tato metoda méně výhodná. I přes malou odolnost proti rušení je ASK pro svou jednoduchost často využívaná.

Obr. 5: Amplitudová modulace ASK.

Frekvenční spektrum ASK odpovídá frekvenčnímu spektru radiového impulzu. Pro přenos je potřeba přibližně τ/2=ΔF, kde τ je délka nejkratšího přenášeného impulzu. V případě RC modelu auta se využívá jednokanálového simplexního přenosu s vysílací frekvencí 27 MHz (modelářská frekvence). 9 Vysílací a přijímací část Vysílací část využívá jednokanálového simplexního přenosu s pulzně-šířkovém dělením kanálu. Stejnosměrné napětí, generované výchylkou potenciometru spojeného s pákovými ovladači, určuje šířku daného pulsu. Vzniklý signál je amplitudově modulován a přenášen na modelářské frekvenci 27 MHz. Za modulátorem následuje vysokofrekvenční zesilovač a anténa. Celý vysílací rámec obsahuje také důležitý synchronizační puls (obr. 6). Vzdálenost mezi jednotlivými pulsy se smí pohybovat v rozmezí 1 až 2 ms. Pokud při vytváření vysílacího rámce není respektován tento interval u některého z kanálů, může dojít ke ztrátě synchronizačního pulsu a rozpadu komunikace.

109


Obr. 6: Vysílací rámec RC vysílače.

V přijímací části se přijatý rámec demoduluje a posílá na vstup systému pro vyhodnocování a ovládání řízení auta. Po zpracování použité signály převede na signály s pulzně-šířkovou modulací, které jsou nutné pro ovládání servomotorů. Popsaná radiová část bude v budoucnu pro potřeby výzkumu optických buňkových komunikačních systémů pro vnitřní prostory nahrazena za optickou. 10 Systém pro vyhodnocování a ovládání řízení auta Jak už plyne z názvu, je výše jmenovaný systém "mozkem" celého RC modelu auta. Vyhodnocuje v čase radiové signály zachycené radiovým přijímačem a na základě výsledku vyhodnocení vysílá na svém výstupu signály, které slouží pro nastavení polohy servomotoru řízení směru jízdy a servomotoru škrticí klapky s brzdou. Blokové schéma tohoto systému je na obr. 7. Antén a

Radiov ý přijíma č

Řídicí

SERVO 1

systém SERVO 2

Obr. 7: Blokové schéma systému pro vyhodnocování a ovládání řízení auta.

Výstupní signály řídicího systému podléhají pulzně-šířkové modulaci (10) PWM (Pulse Width Modulation). Dnes používané servomotory pracují s kladnými řídícími impulsy o délce 1-2 ms. Impulsy se opakují většinou s frekvencí kolem 50 Hz. Rychlost opakování není kritická, pokud budou řídící impulsy přicházet méně často, pouze se zpomalí rychlost pohybu serva. Velikost impulsů je rovná velikosti napájecího napětí servomotoru. V našem případě se ovšem pro ovládání servomotorů typu Kyosho PERFEX ks302ds používá záporných řídících pulzů (viz obr. 8) s frekvencí opakování 71,4 Hz.

110


Maximální šířka PWM řídícího signálu je 1,9 ms a minimální je 0,8 ms. Hodnota šířky PWM řídícího signálu, při kterém je servomotor v neutrální klidové poloze je 1,35 ms (11, s. 327). Řídící PWM signál můžeme popsat dle následujícího vzorce:

kde U je napětí na logické úrovni 1, τ je šířka pulzu, T je doba periody a m je číslo periody.

Obr. 8: PWM řídící pulzy pro ovládání servomotoru Kyosho PERFEX ks-302ds.

11 Závěr a doporučení Studie opírající se o problematiku RC modelů Kyosho Inferno GT se snaží přispět k neustálému cílenému progresu, rozvoji nových netradičních a novým formám vyučovacího procesu. Pozitivně může ovlivnit formování klíčových dovedností v oblasti automobilismu. Svými trendy působí nejen v oblasti modelářů a segmentu výroby a prodeje automobilů různých modelů a značek, ale ovlivňuje i běžný automobilový průmysl všech cenových kategorií. V praxi může posloužit odborníkům z oblasti automobilového inženýrství k zdokonalování spalovacích motorů, zavěšení, vývoji tlumičů, pochopení základních principů aerodynamiky automobilů. Z pohledu optiky ke zdokonalení oblasti servomotorů, dále přináší pokrok do oblasti optiky.

111


Vědecká stať nastiňuje možnost propojení a upevnění mezipředmětových vazeb s využitím poznatků vzdělávací oblasti „Elektrotechnika kolem nás“ (12, s. 14) a nauce o automobilech v obecně technickém předmětu. 12 Literatura (1) LAVRINČÍK, J. O jednom netradičním způsobu motivace žáků v hodinách IKT prostřednictvím zájmu o F1. In Infotech 2007 : Moderní informační a komunikační technologie ve vzdělání. 1. vyd. Olomouc : Votobia, 2007. Obecné otázky využití IKT ve vzdělání. s. 153-156. ISBN 978-80-7220-3. (2) DOSTÁL, J. Elektrotechnické stavebnice (teorie a výsledky výzkumu). Olomouc: Votobia, 2008. 74 s. ISBN 978-80-7220-308-6. (3) PELIKÁN, D. RCM Pelikán. [online]. 2008. [cit. 2008-12-12]. Dostupné s www : < http://www.rcm-pelikan.cz/index.php?sec=list&storage=71>. (4) KLEMENT, M., LAVRINČÍK, J. Bezdrátové sítě. In Infotech 2007 : Moderní informační a komunikační technologie ve vzdělání. 1. vyd. Olomouc : Votobia, 2007. s. 579-582. ISBN 978-80-7220-3. (5) RC AUTA.NET: Kyosho Inferno GT. [online]. 2008. [cit. 2008-12-12]. Dostupné z www : < http://rcauta.net/forum/modules.php?name=News&file=article&sid=135>. (6) Odborný slovník Technika v 11 jazycích. 1. vyd. Praha : Grada Publishing, 2003, 2003. 1135 s. ISBN 80-247-0779-9. (7) WINKLER, Z. Robotika.cz: Řízení serva. [online]. 2005. [cit. 2008-12-12]. Dostupné z www : < http://robotika.cz/guide/servo/cs>. (8) Bastlení: Jak funguje modelářské servo. [online]. 2001÷2008. [cit. 2008-12-12]. Dostupné z www: < http://vlastikd.webz.cz/bastl/serva.htm>. (9) LAVRINČÍK, J. Projevy obecných trendů v oblasti automobilové techniky značky Ferrari. In Trendy ve vzdělání 2008 : Informační technologie a technické vzdělání. 1. vyd. Olomouc : Votobia, 2008, s. 150-153. ISBN 978-80-7220-311-6. (10) Wikipedie, otevřená encyklopedie: Pulzně šířková modulace. [online]. 1995÷2008. [cit. 2008-12-12]. Dostupné z www : < http://cs.wikipedia.org/wiki/Pulzn%C4%9B_%C5%A1%C3%AD%C5%99kov%C3% A1_modulace>. (11) DUBČÁK, D. Optické difúzní vnitřní bezdrátové komunikace : způsob distribuce optického signálu. In Wofex 2003. 1. vyd. Ostrava : VŠB, 2003. s. 326 – 333. ISBN 80-248-0106-X. (12) HAVELKA, M., SERAFÍN, Č. Konstrukční a elektrotechnické stavebnice ve výuce obecně technického předmětu. 1. vyd. Olomouc : VUP, 2003. 170 s. ISBN 80-2440692-6. Lektoroval: prof. RNDr. Vladimír Vašínek, CSc. (Vysoká škola Báňská v Ostravě – Technická univerzita v Ostravě) Kontaktní adresy: Ing. Jan Látal KAT 454 VŠB - TUO 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava - Poruba, ČR tel. + 420 597 321 405 [email protected]

Ing. Petr Koudelka KAT 454 VŠB - TUO 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava - Poruba, ČR tel. + 420 597 321 405 [email protected]

112

MOŽNOSTI NASTAVENÍ RC MODELU KYOSHO INFERNO GT A JEHO VYUŽITÍ V EDUKAČNÍM PROCESU

Recommend Documents