Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Automatizálási és Infokommunikációs Intézeti Tanszék
Optikai elmozdulás érzékelő illesztése STMF4 mikrovezérlőhöz és robot helyzetérzékelése
Szakdolgozat Tervezésvezető: Dr. Vásárhelyi József Konzulens: Bartók Roland Ipari konzulens: Árvai László
Koba Máté Q15WWD 2016
Eredetiségi nyilatkozat Alulírott Koba Máté (Neptun kód: Q15WWD ) a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős Villamosmérnök szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy az Optikai
elmozdulás
érzékelő
illesztése
STMF4
mikrovezérlőhöz
és
robot
helyzetérzékelése című szakdolgozatom saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályi szerint történt. Tudomásul veszem, hogy plágiumnak számít: - szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; - tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; - más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén a szakdolgozat visszavonásra kerül.
Miskolc, 2015.11.27.
______________ Koba Máté
1
Tartalomjegyzék
1
Tartalomjegyzék ....................................................................................................... 1
2
Bevezetés .................................................................................................................. 4
3
Optikai szenzorok és működési elvük ...................................................................... 5
4
5
3.1
Alapfogalmak ..................................................................................................... 5
3.2
Érzékelők csoportosítása .................................................................................... 6
3.3
Optikai érzékelők ............................................................................................... 7
3.3.1
Pozíció érzékeny dióda (PSD) .................................................................... 9
3.3.2
Tárgyreflexiós két utas érzékelő ................................................................. 9
3.3.3
Egy utas fénysorompó .............................................................................. 10
3.3.4
Két utas, tükörreflexiós fénysorompó ....................................................... 10
Robot helyzetének meghatározására enkóder segítségével .................................... 12 4.1
Inkrementális enkóder ...................................................................................... 12
4.2
Abszolút enkóder ............................................................................................. 14
4.3
Miért nem megfelelő ehhez a robothoz az enkóder használata? ...................... 15
Az optikai áramlás jelensége .................................................................................. 16 5.1
Az optikai áramlás, ahogyan azt a megfigyelő látja ........................................ 16
5.2
Az optikai áramlás, ahogyan azt a rovarok hasznosítják ................................. 18
5.3
Az optikai áramlás segítségével végezhető manőverek ................................... 20
5.3.1
Lebegés ..................................................................................................... 20
5.3.2
Tereptárgyak kikerülése ............................................................................ 21
5.3.3
Sebesség szabályozása szűk helyeken ...................................................... 21
5.4 6
Egyéb jellemzők ............................................................................................... 22
Avago ADNS 3080 optikai áramlásmérő szenzor .................................................. 23 6.1
Felhasználási területek ..................................................................................... 23
6.2
Szerkezeti felépítés........................................................................................... 24
6.3
Működési elv .................................................................................................... 25
6.4
Érzékenység ..................................................................................................... 26
6.5
A szenzor működtetése .................................................................................... 27
6.5.1
Fontosabb regiszterek ............................................................................... 27
6.5.2
A gyártó által használt elrendezés ............................................................ 29
1
7 A szenzor megfelelő működéséhez, teszteléshez szükséges eszközök megtervezése, gyártása ........................................................................................................................... 30 7.1
A megvilágítás biztosítása................................................................................ 30
7.1.1
LED kiválasztása ...................................................................................... 30
7.1.2
Körlámpa tervezése................................................................................... 31
7.2
Mérőállvány tervezése, elkészítése az optika kiválasztáshoz .......................... 33
7.2.1
Tervezés .................................................................................................... 33
7.2.2
Megvalósítás ............................................................................................. 34
7.3
Tesztelő áramkör tervezése .............................................................................. 34
7.3.1
Arduino UNO R3, ATmega 328P ............................................................. 34
7.3.2
Az általam tervezett kapcsolási rajz.......................................................... 35
7.3.3
BOM ......................................................................................................... 36
7.3.4
Az áramkör NYÁK-terve.......................................................................... 37
8
Optika kiválasztása ................................................................................................. 38
9
Robot elmozdulásának meghatározása ................................................................... 40 9.1
Szenzor elhelyezés ........................................................................................... 40
9.2
Elmozdulás meghatározás matematikai formulája........................................... 41
9.2.1
X irányú elmozdulás ................................................................................. 42
9.2.2
Y irányú elmozdulás ................................................................................. 43
9.2.3
Szögelfordulás .......................................................................................... 44
9.3
Végképletek...................................................................................................... 44
10 Szenzor illesztése kiválasztott mikrovezérlőhöz .................................................... 46 10.1
STM32F4VCT6 ............................................................................................ 46
10.2
Program működése, folyamatábra ................................................................ 47
11 Munkám során alkalmazott technológiák ............................................................... 49 11.1
CooCox CoIDE ............................................................................................ 49
11.2
STM32CubeMX ........................................................................................... 49
11.3
SolidWorks 2015 .......................................................................................... 49
11.4
Eagle v7.5 Demo verzió ............................................................................... 50
11.5
STM32F4 fejlesztőkártya ............................................................................. 50
11.6
Velleman K8200 ........................................................................................... 51
11.7
Fototechnikás áramkörkészítés ..................................................................... 51
12 Következtetések ...................................................................................................... 54 13 Összefoglaló............................................................................................................ 55 2
14 Summary ................................................................................................................. 56 15 Köszönet ................................................................................................................. 57 16 Irodalomjegyzék ..................................................................................................... 58 17 Ábrajegyzék ............................................................................................................ 59
3
2
Bevezetés Szakdolgozatom témája a X. Magyar Alkalmazott Mérnöki Tudományok
Versenyére épülő robot elmozdulásának meghatározása. A verseny minden évben máshol kerül megrendezésre, a X. versenynek egyetemünk ad otthont 2016 áprilisában. A versenyen egy távirányítású vagy autonóm működésű robottal kell egy épített pályán manőverezni. A pályán elhelyezett oszlopokból minél többet kell elfoglalni úgy, hogy egy jeladót helyez az oszlop belsejébe egy robotkar segítségével. Az általunk épített robot úgynevezett holonomikus mozgásra képes, vagyis az előre-hátra haladás és a kanyarodás mellett forgásra is képes, akár a saját tengelye, akár valamilyen görbe mentén. A robotot úgy alakítottuk ki, hogy 3db, egymástól 120°-ra elhelyezett omnidirekcionális kerék biztosítja a gördülést. Ennek a keréknek a palástján görgők helyezkednek el, így az oldalirányú elmozdulást is tesz lehetővé. A holonomikus mozgás és az omnidirekcionális kerekek miatt a kerekek tengelyén elhelyezett enkóderek elmozdulás meghatározása pontatlan. Továbbá a mozgás során az enkóderek által szolgáltatott elmozdulás adatok nincsenek szoros összefüggésben a robot tényleges helyzetével, mivel a kerekeken mérnek elfordulást. Az enkóderek pontatlansága miatt optikai áramlásmérő szenzorokat használok a robot helyzetének meghatározásához.. Ezzel a szenzorral történő helyzet meghatározásnál közvetlenül a robot és a talaj relatív elmozdulását vizsgáljuk, tehát a motorok forgási sebessége, a kerekek esetleges kipörgése, megcsúszása semmilyen mértékben sem befolyásolja a mért adatokat. Szakdolgozatomban egy ilyen szenzorral végzek méréseket, és kidolgozok egy módszert arra, hogy a szenzorral meghatározható legyen a robot elmozdulása és helyzete a pályán.
4
3
Optikai szenzorok és működési elvük
3.1 Alapfogalmak Szenzor [1]: „Olyan eszköz, amely egy fizikai mennyiséget (pl. hőmérséklet, távolság, nyomás) a vezérlés- és szabályozástechnikában jobban felhasználható, jobban kiértékelhető jellé alakít át.”
Szenzorelem [1]: „A szenzornak az az elemi része, amely lényegében a fizikai jellemzőt érzékeli, de önmagában az irányítástechnikában nem alkalmazható, még további elemekkel kell kiegészíteni. (jelátalakítás, jelfeldolgozás, csatlakozók, illesztők, ház, rögzítő elemek, stb.)”
Szenzorrendszer [1]: „Több hasonló, vagy különböző szenzor, vagy szenzorelem, amelyek közösen oldanak meg egy feladatot.”
Multiszenzorrendszer [1]: „Több különböző szenzor egy készülékbe, egy rendszerbe beépítve. (pl. hőmérséklet + relatív páratartalom + légnyomásmérő egy készülékben; különböző elven működő közelítéskapcsolók egy rendszerbe építve a munka-darab anyagának felismerése érdekében.)”
Intelligens szenzorok [1]: „Analóg fizikai változókat mérnek, mint pl.: nyomás, hőmérséklet vagy sebesség, digitalizálják a mért adatokat, és a jeleket – megfelelően illesztve - továbbítják az információ feldolgozóhoz.” Az 1. ábrán egy ilyen szenzor blokkvázlata látható.
5
1. ábra Intelligens szenzor blokkvázlata [1]
3.2 Érzékelők csoportosítása Bináris szenzorok [2]: helyzetérzékelők, közelítéskapcsolók, nyomáskapcsolók, kapcsoló hőmérők, stb. Analóg szenzorok [2]: erő és nyomatékmérők, áramlásmérők, hőmérsékletmérők, útmérők, hosszmérők, elfordulás érzékelők, optikai mennyiségek érzékelői, akusztikai mennyiségek érzékelői, stb. Szenzorok csoportosítás tipikus kimeneti jelek típusa szerint [2]: Bináris: -
közelítéskapcsoló,
-
nyomáskapcsoló,
-
szintjelző kapcsoló, stb.
6
Impulzuskövető: -
inkrementáló hossz illetve szög(elfordulás) mérő szenzorok.
Analóg: -
Szenzorelemek a rendszerbe integrált erősítő és jelátalakító elektronika nélkül. Közvetlenül nem felhasználható, kisértékű jelet adnak. (mV tartományban)
o nyúlásmérő bélyeg, o Pt-100 hőellenállás, o termoelem, hőelem, o Hall generátor, o térlemez, stb. -
Szenzorok a rendszerbe integrált erősítő és jelátalakító elektronikával. Közvetlenül felhasználható jelet adnak.
Szokásos tartományok: 0 … 10 V 1…5V -5 … +5 V
0 … 20 mA 4 … 20 mA -10 … +10 mA
Szabványos csatoló:
-
Szabványos jelkimeneti csatlakozással ellátott szenzorrendszerek o RS-232, o RS-422, o profibusz.
3.3 Optikai érzékelők Az optikai érzékelők optikai és/vagy elektronikai eszközök felhasználásával jelzik a céltárgy jelenlétét. Fényforrást tartalmaznak, ami általában LED. Ezek előnyei a kis méret, hosszú élettartam és a könnyen modulálható jel. A fény érzékelésére fototranzisztor vagy fotodióda használatos. Az optikai érzékelők fényforrása általában vörös fényű, de használatos infra tartományban sugárzó fényforrás is. LED alapanyaga általában GaAlAs. A vörös fény azért elterjedtebb mert a szenzor beállítása könnyebb így, mivel látjuk a megvilágított területet. Infravörös fényforrás akkor alkalmazandó, ha nagy fényerősségre van szükség és/vagy hosszabb távon kell érzékelni, továbbá infravörös fény használata esetén a környezeti fények zavaró hatása mérsékeltebb, mint látható fény esetén. További zavarcsökkentés céljából a szenzor jelét modulálják. A 7
vevő modulációja szinkronizálva van az adó modulációjához, kivétel egyutú fénykapu. További javulás érhető el fényszűrők alkalmazásánál (infra érzékelők esetén). Az optoelektronikai szenzorok általában tartalmaznak belső jelkondicionáló egységet és a mikrovezérlő felé az elektromos jelet egy előerősítőn keresztül adják, ami azt így közvetlenül feldolgozhatja [1]. Egy ilyen érzékelő blokkvázlata látható a 2. ábrán.
2. ábra Optoelektronikai érzékelő felépítése [1]
Adó elemek [1]: LED, IRED, félvezető lézerdiódák •
előnyei: o LED-hez képest jelentősen kisebb divergencia, o kisebb fényfolt átmérő, o kis tárgyak messzebbről érzékelhetőek.
Vevő elemek [1]: fotodiódák (PN, PIN), foto tranzisztorok, pozíció érzékeny diódák (PSD).
8
3.3.1 Pozíció érzékeny dióda (PSD) A PSD szenzor egy speciális fotodióda, melynek érzékelő felülete szalagszerűen van kialakítva. A szalag két oldalán két kontaktus, az alsó oldalon pedig egy darab közös kontaktus található. A fényérzékeny felületet pontszerűen besugározva I1 és I2 áram indul meg, és ezen részáramok nagyságának aránya alapján határozható meg a beeső fénypont helyzete az érzékelő felületen [1]. A 3. ábrán látható a PSD működési elve.
3. ábra PSD működésének ábrázolása [1]
3.3.2 Tárgyreflexiós két utas érzékelő A reflexiós szenzor a céltárgyról visszaverődő fény intenzitása alapján működik, mégpedig úgy, hogy a szenzor kimenete csak egy bizonyos intenzitás fölött lesz aktív állapotú [1]. Jellemzők [1]: visszaverődő fényt értékeli ki, adó-vevő közös házban, nem kell külön reflektor, átlátszó tárgyakat nehezen lehet detektálni, fényt visszaverő tárgyak könnyen detektálhatóak, érzékelési tartomány általában 500mm-ig terjed.
9
Ezekkel az érzékelők azt jelzik vissza, hogy egy adott tárgy az érzékelő kapcsolási tartományán belül vagy kívül van-e. A céltárgy közelségének érzékelésére ez az érzékelő nem használható. 3.3.3 Egy utas fénysorompó Az egy utas fénysorompó egy különálló adó és egy vevő részből áll. A kimenet akkor aktív, ha az adónak és vevőnek rálátása van egymásra, vagyis a fény akadálytalanul eljut adótól a vevőig, a kimenet aktivitása lehet fordított is [1]. Jellemzők [1]: külön egységek, adónak és vevőnek egymásra rá kell látnia, rossz optikai körülmények között is jól alkalmazható, nagy ismétlési pontosság, nagy távolságokra is alkalmazható, lézeres adó esetén akár 100m is lehet a szenzortávolság. Hátrányok [1]: két különálló egységet kell szerelni, kábelezni, optikai tengelyeket pontosan kell beállítani, átlátszó anyagoknál rossz alkalmazhatóság. 3.3.4 Két utas, tükörreflexiós fénysorompó Adó és a vevő egy házban helyezkedik el, a fénynyaláb egy prizmán keresztül érkezik a vevőbe. Előnyök [1]: adó és vevő egy házban, LED, vagy lézerdiódás kivitel, beesési szög akár 40°-al is eltérhet az optikai tengelytől, csekély szerelési, beállítási igény.
10
Hátrányok [1]: kettős fényút, reflexiós veszteség, érzékeny az környezet optikai viszonyaira, nehezen ismerhetők fel az átlátszó tárgyakat, tükröződő tárgyak hamis kapcsolást eredményezhetnek.
Az optikai szenzorok nagy része az alapján ad adatokat, hogy az érzékelőbe jut-e fény vagy sem, így csak a fény jelenlétéből lehet következtetni. Elmozdulás érzékelésénél ez nem elegendő információ, szükség van még egy adatra, aminek segítségével meghatározható, hogy mennyit ment egy bizonyos irányba a szerkezet, aminek az út információira szükség van. Olyan érzékelők például az enkóderek, melyek segítségével megadható, hogy időegység alatt milyen mértékű szögelfordulás figyelhető meg. Az enkóderek működésének tisztázásához először az optikai szenzorok működését kellett tanulmányozni.
11
4
Robot helyzetének meghatározására enkóder segítségével Helyzet meghatározáshoz gyakran használnak enkódert, ami a kerék tengelyén
elhelyezett optikai jeladóból és egy vele szembe helyezett tárcsából áll. Útjeladók fajtái a jeladó által feldolgozott jel fizikai jellemzői alapján: optikai induktív jeladós. Az enkóder lényegében a hajtott tengely elfordulását méri és az elfordulás nagyságával arányosan valamilyen elektromos jelet szolgáltat [3]. Enkóderek csoportosítása a működésük alapján: inkrementális abszolút.
4.1 Inkrementális enkóder Az inkrementális jeladó olyan tárcsát tartalmaz, melynek rovátkái egymástól egyenlő távolságra helyezkednek el. A rovátkák helyzetét két db optokapuval érzékelik. „A két kapu úgy van elhelyezve, hogy egymáshoz képest 90 fokkal eltolt fázisú jelet adjanak a tárcsa forgásakor. Ez a két jel az "A" és a "B" fázis.” Az enkóderbe épített elektronika gondoskodik annak tápellátásáról illetve a szenzor jelét konvertálja szabványos feszültség szintekre. „Ez leggyakrabban TTL, nyitott kollektoros, esetleg 24V-os jel, bizonyos esetekben a jelek inverze is ki van vezetve.” „Az inkrementális jeladókban van egy harmadik optokapu is, ami a tárcsa egy olyan részén világít át, ahol csak egy rovátka van. Így ez a jel a tengely teljes körülfordulásakor ad egyetlen egy impulzust. Neve "Z" vagy "Index".” Az A és B jel 50%-os kitöltési tényezőjű négyszögjel, amik között 90°-os fáziskülönbség van. A két jel segítségével meghatározható a forgás sebesség mellett a forgás iránya is [3]. Az inkrementális enkóder egy lehetséges elrendezését ábrázolja a 4. ábra.
12
4. ábra Inkrementális enkóder [3]
Ezt a fajta jeladót azért inkrementális jeladónak hívják, mert a tengely elfordulásával arányos jel a tengely helyzetéhez relatív, vagyis az álló enkóder abszolút szöghelyzetéről maga az enkóder nem ad információt. A tengely tényleges helyzetét a vezérlő állapítja meg [3]. Inkrementális jeladó jelének feldolgozása [3]: egy logika megállapítja a jeladók jelei alapján a forgásirányt, A vagy B jelet egy kétirányú számláló bemenetére vezetik, a számlálás irányát a forgásirányt megállapító logika vezérli, ha a tengely előre forog, az impulzusok számával a számláló tartalma nő, ha hátrafele forog, akkor pedig csökken. A számlálót nem a jelek léptetik, hanem egy beiktatott EXOR kapu kimenete, ami összehasonlítja az A és B jelét [3]. A jeladóból kapott jelek idődiagramját az 5. ábra mutatja.
5. ábra Útjeladó által szolgáltatott jelek [3]
13
Az idődiagramból látható, hogy a kapu kimeneti jele kétszeres frekvenciájú, mint a két enkóder jele, vagyis a tárcsán elhelyezett rovátkák által meghatározott felbontást megduplázza. Bizonyos alkalmazásoknál nem csak a fel vagy lefutó éleknél léptetik a számlálót, hanem mindegyik szintátmenetnél, így megnégyszerezve a felbontást. Az ilyen enkóderek alkalmazásakor mindig kell egy referencia pont, mivel a számláló tartalma nincs kapcsolatban az enkóderrel felszerelt tengely abszolút szöghelyzetével. Kikapcsolás után az enkóderek adatai elvesznek, így ha a berendezést kikapcsolt állapotában mozgatják, az újbóli bekapcsoláskor az nem tudja, hogy az előző helyzetéhez képest merre és mekkora mértékben mozdult el. „A referencia pont a gép encoder-el mért mozgó részének egy olyan abszolút pozíciója, amit egy külön érzékelő érzékel [3].”
4.2 Abszolút enkóder Az abszolút enkóder is tárcsát és optikai jeladókat használ a mozgás meghatározására,
de
több,
különböző
átmérőn
különböző
méretű
rovátkák
helyezkednek el, általában kívül a legnagyobb felbontású és befelé haladva, pedig csökken a felbontás [3]. A 6. ábrán egy abszolút enkóder kódtárcsája látható.
6. ábra Kódtárcsa [3]
A 6. ábrán az látszik, hogy az abszolút enkóder rovátkái binárisak, a külső gyűrűtől befelé haladva egyre nagyobb helyiértéket képeznek. Az ábrán látható kódtárcsa 14
10 bites, vagyis a külső gyűrűn 210-en db rovátka található [3]. A 7. ábrán látható az abszolút útjeladó szabványos elrendezése.
7. ábra Abszolút enkóder elrendezése [3]
Az enkóder kimenete a tárcsa által előállított 10 bites kódot szolgáltatja valamilyen formában a feldolgozó mikrovezérlő felé. Ez lehet TTL jel, vagy valamilyen kommunikációs csatornán kódolt adat. Alapvető különbség az abszolút és az inkrementális útjeladó között, hogy az abszolút szöghelyzet jeladó a tengely szöghelyzetéhez képest abszolút módon összefüggő jelet szolgáltat. Másik különbség, hogy a szöghelyzettel arányos pozícióértéket az abszolút enkóder közvetlenül szolgáltatja, nincs szükség számlálókra. A működési elv miatt az abszolút jeladók felépítése bonyolultabb, emiatt drágábbak is. Léteznek olyan abszolút jeladók is, amelyek nem csak egyetlen körbefordulást tudnak megkülönböztetni, hanem több fordulatot is [3].
4.3 Miért nem megfelelő ehhez a robothoz az enkóder használata? Az enkóderek által szolgáltatott adatok nincsenek közvetlen összefüggésben a robot elmozdulásával, mivel ezt a kerekek tengelyeinek forgásából számítja. Az enkóderek adataiból vissza kell számolni a megtett utat, de az nem derül ki, hogy a robot valóban a neki meghatározott pályán mozgott-e. A robot mozgása során a kerekek megcsúszhatnak, neki mehet egy másik robot, beragadhat valahova, de még a kerekek képesek továbbra is forogni, ezek miatt az enkóderek pontatlan adatokat szolgáltatnak a vezérlő rendszernek és az hibás működést okoz. Az enkóderek hibáinak kiküszöbölésére egy olyan módszert kell alkalmazni, ami független a robot hajtásától.
15
5
Az optikai áramlás jelensége Az optikai áramlás egy olyan vizuális jelenség, amit a mindennapok során
tapasztalunk.
Az optikai áramlás lényegében az a vizuális mozgás, amit a
környezetünkben való mozgásunk során érzékelünk. Tegyük fel, hogy egy autóban, vonaton vagy lényegében bármilyen mozgó járművön vagyunk és kinézve az ablakon azt látjuk, hogy a távolban lévő fák, épületek, talaj hátrafele mozog. Ez a mozgás az optikai áramlás. Ebből a mozgásból az is származtatható, hogy milyen távol vagyunk azokhoz az objektumokhoz képest, amiket mozogni látunk. A távoli dolgok, mint például a felhők, hegyek mozgása olyan lassúnak tűnik, hogy úgy látjuk, mintha nem is mozdulnának meg. A közelebbi objektumok, mint például a fák, épületek úgy tűnnek, mintha hátrafele haladnának és a közelebbi tárgyak mozgása gyorsabbnak tűnik, mint a távolabbiaké. A nagyon közeli dolgok mozgása, mint a fű vagy az út menti táblák olyan gyors, hogy azok képe elmosódik. Az optikai áramlás nagysága és az objektum megfigyelőhöz képesti távolsága között konkrét matematikai összefüggések vannak. Ha megduplázzuk a haladási sebességet, akkor az optikai áramlás is duplázódik. Ha kétszer olyan közel helyezünk el egy tárgyat a megfigyelőhöz, mint korábban, akkor az optikai áramlás szintén a kétszeresére nő az előző értékhez képest. Ugyanakkor az optikai áramlás függ a megfigyelő haladási irányának vektora és a megfigyelt objektum haladási irányának vektora által bezárt szögtől. Feltételezve azt, hogy egyenes vonalban haladunk, az optikai áramlás mértéke akkor lesz a legnagyobb, ha a megfigyelt objektum a megfigyelő haladási irányához képest 90°-os szöget zár be. Amennyiben a megfigyelt tárgy pont a megfigyelővel szemben van, akkor nincs optikai áramlás, úgy tűnik, hogy a tárgy nem mozdul el. Azonban, mivel a tárgy élei nem pont a megfigyelő előtt vannak, azok mozogni látszanak és az objektum egyre nagyobbnak tűnik, ahogy közeledik felé a megfigyelő [4].
5.1 Az optikai áramlás, ahogyan azt a megfigyelő látja Az optikai áramlás kialakulását egy repülő tárgy szemszögéből a 8. ábra szemlélteti. A kék nyilak szemléltetik azt az optikai áramlást, amit a repülőn elhelyezett kamera vagy annak egy utasa lát. Lefele nézve egy erős áramlási minta figyelhető meg, amit a talaj és az azon elhelyezkedő tereptárgyak okoznak.
16
8. ábra Optikai áramlás egy repülő szempontjából [4]
Az optikai áramlás pontosan a repülő alatt a leggyorsabb. Az optikai áramlás főleg ott tűnik gyorsabbnak, ahol a magasabb tárgyak kiemelkednek a talaj síkjából. Ha egy olyan szenzort helyeznénk el az adott repülőn, ami az optikai áramlásra reagál, az felismerné az optikai áramlás mintáját és adataiból egyértelműen meghatározható lenne a tereptárgy jelenléte. Következtetésképp megállapíthatjuk, hogy létezik egy másfajta optikai áramlási minta, amely a megfigyelőhöz közeledő tárgyak következtében jön létre. A középen lévő kék kör szemlélteti az áramlás kiterjedésének fókuszát. Ez a fókuszpont mutatja a fajlagos haladási irányt. Az előzőekben kiderült, hogy egyenes vonalú mozgás esetén az optikai áramlás értéke zérus a haladási irány középpontjában. A képen látható repülő szemszögéből a tőle jobba található sziklás részen haladva nagyobb az optikai áramlás mértéke, ez mutatja azt, hogy ha tovább folytatja az útját a jobb oldalon veszélyesen közel kerülhet a sziklafalhoz. A repülő alatt az optikai áramlás mérsékeltebb. A repülő fölött, mivel a látómezőben az égen kívül más objektum nincs, ott az optikai áramlás látszólag szintén 0. Mivel mozgását folytatva a repülő veszélyesen közel kerülhet a tőle jobbra található sziklákhoz, az áramlásmérő szenzor adatai alapján a vezérlő rendszer felülírhatja a haladási irányt, kikerülve a veszélyzónát [4].
17
5.2 Az optikai áramlás, ahogyan azt a rovarok hasznosítják Az optikai áramlási mintákat bizonyíthatóan a rovarok hasznosítják, a szenzor mondhatni a rovarok látását veszi alapul a működéséhez. A 9. ábrán egy szitakötő és annak látómezeje található felülnézetből [4].
9. ábra Optikai áramlás egy szitakötővel szemléltetve [4]
Az ábra két különböző mozgás esetén szemlélteti a rovar által érzékelt áramlási mintát. A baloldalon az az eset látható, amikor egyenes vonalban előre halad a rovar. Ebben az esetben az optikai áramlás elölről hátrafele mutat úgy, hogy legnagyobb értéke jobb és bal oldalon, legkisebb pedig elöl és hátul mérhető. Az ábra jobb oldalán az az eset kerül szemléltetésre, amikor a rovar a tengelye körül egyhelyben fordul el az óramutató járásával megegyező irányban. Ebben az esetben az optikai áramlás iránya az óramutató járásával ellenkező irány, nagysága pedig mindenhol állandó. Amennyiben a szitakötő egy görbe mentén haladna, az optikai áramlás ezen minták kombinációit venné fel. Az ábra segítségével könnyen belátható, hogy az optikai áramlás nem csak tereptárgyak érzékelésére, hanem egy kitüntetett objektum mozgásának meghatározására is felhasználható. A 10. és 11. ábra ugyanazt a két esetet mutatja be, mint a 9. ábra, annyi különbséggel, hogy a szitakötő szemszögéből lehet látni azt oly módon, hogy a 360°-os látómező a síkra van vetítve [4].
18
10. ábra Optikai áramlási minta előre haladás esetén [4]
A 10. ábrán látható a kiterített áramlási minta előre haladás esetén. Egyenes, előre haladó mozgás esetén az áramlási minta a haladási irány tengelyének mentén zérus, a középponttól hátrafele haladva a vektorok széttartóak, hátul pedig összezárnak [4].
11. ábra Optikai áramlási minta jobbra oldalazás esetén [4]
A 11. ábrán látható az optikai áramlás mintája abban az esetben, amikor a szitakötő jobbra oldalaz. Forgás és oldalazás esetén az áramlási minta ellenkező irányú az elmozdulással, miközben a forgástengely mentén az áramlás zérus [4].
19
5.3 Az optikai áramlás segítségével végezhető manőverek A rovarok látásának tanulmányozásával és azzal, hogy hogyan tájékozódnak az optikai áramlás segítségével, rengeteg tudományos kutatás foglalkozik [4]. 5.3.1 Lebegés A lebegés során észlelhető optikai áramlási mintát szemlélteti a 12. ábra [4].
12. ábra Optikai áramlási minta lebegés esetén [4]
Lebegés során arra törekedik a rovar, hogy az optikai áramlást a látóterében mindenhol 0-n tartsa, ezáltal például falevelek között tud lebegni oly módon, hogy a falevelek mozgásával együtt mozog. Ez a mozgás a külső szemlélőnek úgy tűnhet, hogy a megfigyelt rovar teljes szinkronban mozog a falevelekkel [4].
20
5.3.2 Tereptárgyak kikerülése A különböző objektumok elkerülése során megfigyelt optikai áramlási mintát a 13. ábra szemlélteti.
13. ábra Optikai áramlási minta tárgyak kikerülése esetén [4]
Tárgyak elkerülésénél a rovar amint érzékeli, hogy az optikai áramlás valamely irányban elkezdett nőni, a veszélyt elhárítandó olyan irányba igyekszi tovább manőverezni ahol a legkisebb az optikai áramlás mértéke [4]. 5.3.3 Sebesség szabályozása szűk helyeken A sebességszabályozásnál fellépő mintát a 14. ábra szemlélteti [4].
14. ábra Áramlási minta szűk helyeken történő manőverezés során [4]
21
A sebességszabályozást megfigyelések alapján a rovarok olyan esetekben alkalmazzák, amikor egy adott sebességgel haladva szűk helyre érnek, körülöttük az áramlás felgyorsul és egy olyan, alacsonyabb sebességgel folytatják útjukat, amely mellett biztonságosan tudnak manőverezni és a környezet változásaira megfelelő időn belül tudnak reagálni [4].
5.4 Egyéb jellemzők Az optikai áramlás jelenségét felhasználó szenzorok használatánál a következő tulajdonságokat kell figyelembe venni, amennyiben a szenzor nem szűri ezeket [4]: Forgás hibája Az optikai áramlás létrejöhet forgás és transzláció esetén is. Ha a forgást nem kell figyelembe venni, mert elronthatja a mérési eredményeket, akkor a forgásból következő adatokat valamilyen módon szűrni kell. alacsony textúra Elterjedt szóbeszéd az a modellezők körében, hogy az alacsony textúrával rendelkező felületeken nem mérhető optikai áramlás, mert a szenzor nem talál összehasonlítási alapot jelentő alakzatokat, éleket, így hibás mérést végez. Valójában bármilyen felületen találhatók olyan minták, amelyeket egy optikai áramlásmérő szenzor képes hasznosítani, ez csupán feldolgozóegységtől függ. mechanikai zaj ’jitter’ Egy képfeldolgozó rendszert egy mozgó robotra szerelve a fellépő mechanikai behatások úgy, mint rázkódás, lökések befolyásolhatják a mérési adatokat, ezeket szintén különböző jelfeldolgozási algoritmusok használatával ki lehet szűrni. fény szintek Szintén közhiedelem, hogy az optikai áramlás érzékeléséhez nagyon erős megvilágítás szükséges. Tényleg léteznek nagyon nagy fényerősséget igénylő szenzorok, de a megvilágítás erőssége szintén az érzékelő típusától függ. Ez a mítosz arra vezethető vissza, hogy a számítógépes egereknek is szüksége van egy LED-re a működéshez, amit csupán néhány mm-re helyez el a gyártó a szenzortól és léteznek továbbá olyan, kamerákon alapuló eljárások is ahol több száz LUX az alkalmazott megvilágítás fényerőssége. A rovarok is képesek rendkívül rossz fényviszonyok mellett is tájékozódni, míg a forgalomban lévő szenzorok fényérzékenysége is eltérő.
22
6
Avago ADNS 3080 optikai áramlásmérő szenzor Azért esett a választásom az optikai áramlásmérővel való elmozdulás mérésre, mert
az általunk épített robot omnidirekcionális mozgásából adódóan a kerekek forgástengelyére helyezett enkóderek által az elmozdulást csak indirekt módon lehet meghatározni. A robot kerekeinek forgásából nem egyértelmű a haladási irány, a robot nem feltétlenül abban az irányban halad amerre az egyes kerekek forognak. A verseny során a robotot másik gép meglökheti, ezáltal az oly módon módosítja pályáját, amit enkóderrel nem lehet megállapítani. Másik megoldás lehet még a GPS adatokon, mágnesesség érzékelőn, MEMS szenzor által mért elmozdulás érzékelőn és ezen szenzoroknak a fúzióján alapuló megoldás is de ez a megoldás sokkal hely és költségigényesebb, mint az optikai elmozdulás mérő alkalmazása. Továbbá az ilyen szenzor által szolgáltatott adatokat sokkal kevesebb átszámítással fel lehet dolgozni, ezáltal közvetlenebb információkat ad a robot pontos helyzetéről.
6.1 Felhasználási területek Avago ADNS 3080 főbb alkalmazásai [5]: számítógépes egerek trackball integrált beviteli eszközök. Ezt a szenzort a fentebb felsorolt eszközökben pozícióérzékelésre használják, felbontása, a vele mérhető sebesség alkalmassá teszi arra is, hogy olyan területen használhassák ahol a nagy sebesség és a pontosság is számít például olyan számítógépes egerekben ahol fontos, hogy kis kézmozdulattal gyorsan, nagy távolságot tegyen meg a kurzor. A 15. ábrán látható a nyomtatott áramköri panelbe ültethető szenzor [5].
15. ábra ADNS 3080 [5]
23
A 15. ábrán látható szenzorba egy kamera van beépítve, amely működhet a gyártó által forgalmazott megfelelő optikai tulajdonságokkal rendelkező fényvezető keretre szerelve, de a szenzort lehet kapni NYÁK-ra szerelt kivitelben is, ezáltal lehetőség van a szenzorra különböző optikai tulajdonságú objektívek felszerelésére is.
6.2 Szerkezeti felépítés A szenzor öt fő részből áll, melyeket a 16. ábra mutatja [5]: soros port vezérlő képfeldolgozó processzor oszcillátor feszültség szabályozó.
16. ábra ADNS 3080 tömbvázlata [5]
A tokozás lábkiosztását a 17. ábra tartalmazza [5]: 1) eszköz kiválasztás 2) soros kommunikáció kimenet (mester bemenet/szolga kimenet) 3) soros órajel bemenet 4) soros adat bemenet (mester kimenet/szolga bemenet) 5) LED vezérlés 6) RESET 7) szenzor kikapcsolás (alacsony jelszintre érzékeny) 8) oszcillátor kimenet 24
9) oszcillátor testpont 10) oszcillátor bemenet 11) nem bekötött 12) VDD3 13) referencia kondenzátor 14) referencia kondenzátor 15) tápfeszültség 16) testpont 17) tápfeszültség 18) nem bekötött 19) testpont 20) nem bekötött.
17. ábra ADNS 3080 lábkiosztás [5]
A 17. ábrából látható, hogy a szenzor nem szabványos DIL tokozással készül.
6.3 Működési elv Az ADNS-3080 Optikai Navigációs Technológián alapul, ami pozícióbeli változásokat mér oly módon, hogy optikailag összehasonlít több egymást követő felületi képet (keretet) és matematikailag megállapítja a mozgás irányát és nagyságát [5].
25
Az optikai áramlásmérő szenzorok olyan intelligens szenzorok, amelyek a vizsgált felület textúrájának feldolgozásával határozzák meg a szenzor és a felület közötti relatív elmozdulást, a vizsgát felület x, y síkjában. A szenzor kamerája bizonyos időközönként képeket készít a vizsgált felületről és ezeket a képeket összehasonlítja a készítés sorrendjében. A képek készítése közötti idő és a két kép textúrájának adatai alapján a szenzor meg tudja határozni a két kép készítése közötti elmozdulás mértékét. További matematikai műveletek segítségével ezekből az adatokból meghatározható a pillanatnyi sebesség, kiindulási ponthoz képest a tárgy jelenlegi tartózkodási helye [4].
A szenzor infrastruktúrája három fő részből áll [5]: Kép Összehasonlító Rendszer (Image Acquisition System - IAS) Digitális Jelfeldolgozó Processzor (Digital Signal Processor - DSP) négyvezetékes soros port (SPI). IAS feladata összehasonlítani mikroszkopikus felületi képeket. A szenzorba a megvilágított felületről érkező fény egy objektíven keresztül érkezik be. A DSP feldolgozza a kapott képet és meghatározza az elmozdulás irányát és mértékét, azután pedig kiszámolja az x és y irányban történő relatív elmozdulási értékeket [5].
6.4 Érzékenység A szenzor nem mutat ugyanolyan érzékenységi szintet a fény teljes spektrumán. A fény hullámhosszának és az érzékelő relatív válaszadási idejének függvényében felvett érzékenységi görbe a 18. ábrán látható.
18. ábra Szenzor érzékenység [5]
26
A 18. ábra grafikonjából látható, hogy az ANDS 3080 a 600-700nm-es tartományban a legérzékenyebb. A szenzor a következő maximális értékekig tud mérést végezni [5]: sebesség 40inch/sec gyorsulás 15g-ig.
6.5 A szenzor működtetése A szenzor regisztereinek elérésével lehet adatot olvasni a szenzorból és konfigurálni azt. A regisztereket szinkron-soros kommunikációval (SPI) lehet elérni. A konfigurálás során be lehet állítani a felbontási értéket (alapbeállítás: 400 CPI), azt, hogy megvilágító LED-eket a szenzor folyamatos üzemben vezérelje (alapbeállítás), vagy pedig csak akkor adjon vezérlő impulzust, amikor mintavételi képet készít [5]. 6.5.1 Fontosabb regiszterek A gyártó a szenzorhoz mellékeli a teljes regisztertérképet, én ezek közül néhány fontosabb regisztert emelek ki. A szenzor főbb regiszterei [5]: Delta_X (0x03) -
A regiszter egy 8 bites, 2-es komplemens számot tartalmaz. A regiszter értékei az x tengelyen történő pozitív, illetve a negatív irányú elmozdulást különbözteti meg oly módon, hogy 0-127 között a pozitív, 128-255 pedig a negatív irányt reprezentálja. A regiszter a két kiolvasás közötti elmozdulást adja vissza, abszolút értéke a felbontástól függ. Olvasás után a regiszter értéke nullázódik.
Delta_Y (0x04) -
A regiszter egy 8 bites, 2-es komplemens számot tartalmaz. A regiszter értékei az y tengelyen történő pozitív, illetve a negatív irányú elmozdulást különbözteti meg oly módon, hogy 0-127 között a pozitív, 128-255 pedig a negatív irányt reprezentálja. A regiszter a két kiolvasás közötti elmozdulást adja vissza, abszolút értéke a felbontástól függ. Olvasás után a regiszter értéke nullázódik.
27
SQUAL (0x05) -
Egy 10 bites előjel nélküli egész szám felső 8 bitjét adja vissza. A regiszter maximális értéke 169. A regiszter segítségével meg lehet határozni az optika optimális távolságát a vizsgálandó felülettől, ugyanis a regiszter akkor adja a legnagyobb értéket, amikor a szenzor a vizsgálandó felülettől optimális távolságra helyezkedik el. Az értéke 0, ha semmilyen felület nincs az érzékelő alatt, nem ismer fel textúrát.
Configuration-bits (0x0a) -
A regiszter írásakor a szenzor gyári konfigurációjától eltérően állítható be. A regiszter 1 byte-ni adathalmazban tartalmazza a beállításokat.
-
Ha a gyári beállításoktól eltérően akarjuk konfigurálni a szenzort, a tápfeszültség rákapcsolása és a szenzor resetelése után ezt a regisztert kell legelőször megcímezni.
-
A regiszter MSB-vel kezdődik, 2. bitjével állítható be a szenzor felbontása, 3. bit 1-be állításával rendszerteszt indítható, 4. bit-el állítható a felbontás, a többi bit értéke foglalt.
Motion_Burst (0x50) -
A Motion_Burst regiszter nagysebességű hozzáférést tesz lehetővé a Motion, Delta_X, Delta_Y, SQUAL, Shutter_Upper, Shutter_Lower és a Maximum_Pixels regiszterekhez.
-
Ebben a módban csökkenthetjük a sorosporti tranzakciók idejét.
-
A regiszter a ’Burst Mode’-ot aktiválja, ami egy olyan sorosporti műveleti mód, ami úgy küldi ki a fentebb felsorolt adatokat, hogy azoknak a regisztereit nem kell egymás után a mikrokontrollernek megcímeznie, és megvárnia a címzések közötti előre definiált időt, hanem csak a ’Motion_Burst’ regisztert, és a címzés után a sorosporton megjelennek az adatok a definiált sorrendben.
28
6.5.2 A gyártó által használt elrendezés A gyártó által ajánlott, ugyanakkor az optikai egerekben használatos szenzor elrendezés látható a 19. ábrán [5].
19. ábra Szenzor elrendezés [5]
A 19. ábrából látható, hogy az optikai egerek a szenzort, egy jó optikai tulajdonságokkal rendelkező anyagból készült fényvezető kerettel szerelik fel. Ez a keret hivatott a megvilágító LED által kibocsájtott fényt eljuttatni a kamera által vizsgált felületre, biztosítva a megfelelő megvilágítást a szenzor számára. Ez az alkalmazás csakis akkor használható, ha a szenzort objektív nélkül, NYÁK-ra szerelve használjuk. Ilyenkor a szenzor alaplemezének folyamatosan érintkeznie kell a vizsgálandó felülettel [5]. Az optikai áramlást nem csupán a külön erre acélra kifejlesztett szenzorokkal lehet megvalósítani. Léteznek képfeldolgozó algoritmusok ami bármilyen kamera képe alapján számítják az optikai elmozdulást
29
7
A szenzor megfelelő működéséhez, teszteléshez szükséges eszközök megtervezése, gyártása A szenzor önmagában működőképes ugyan, de az érzékenységét, stabil működését
nagymértékben befolyásolják a környezeti körülmények. A megfelelő működési körülményeket biztosítani kell az érzékelő számára és a zavaró hatásokat a lehető legnagyobb mértékben csökkenteni, megszüntetni célszerű. Mivel a szenzort nem a gyári elrendezésben alkalmazom, hanem egy objektívvel felszerelve, ezért a pontos mérési adatok és a megfelelő működés biztosításához tesztelésre és fejlesztésre van szükség.
7.1 A megvilágítás biztosítása Mivel a szenzort egy objektívvel használom, ezért szükséges a hozzá illeszthető megvilágítás megtervezése. A pontos működéséhez megfelelő fényerejű megvilágítás szükséges, aminek mértéke nem lehet sem túl magas, sem túl alacsony. Gyenge megvilágítás esetén az érzékelő nem tudja helyesen meghatározni az általa belátott területen lévő textúra bizonyos geometriai jellemzőit, ezáltal pontatlan mérési adatokat szolgáltat. Túlzott megvilágítás esetén viszont a szenzor optikáján keresztül az érzékelőre jutó fény intenzitása egyes helyeken túlzottan magas lesz, ennek hatására a kamera által érzékelt kép néhol kiég, vagyis fehér foltok keletkeznek, amik miatt pedig a digitális jelfeldolgozó egység nem tud pontos méréseket végezni így szintén fals elmozdulási adatokat kap a szenzor által támogatott rendszer. 7.1.1 LED kiválasztása A megvilágításhoz a szenzor érzékenységéhez illesztett hullámhosszúságú és intenzitású fény biztosítása érdekében LED-es világítást alkalmazok. A világításhoz az OptoSupply által gyártott OS5RPM5B61A típusú 5mm-es víztiszta tokozású LED-eket használtam fel. A LED-ek fényerőssége 2180-4200mcd között változhat. A 20. ábrán látható az általam használt LED fényintenzitás-sugárzási szög diagramja [6].
30
20. ábra OS5RPM5B61A fényeloszlási görbéje [6]
A 20. ábrán látható, hogy a LED 60°-os sugárzási szögnél az intenzitásának 50%-ával világít és nem teljesen szimmetrikus. Az aszimmetria a LED-ek gyártása során jön létre. Az alkalmazásom során a választott LED dőlésszögét úgy alakítom ki, hogy az minél nagyobb intenzitású fényt sugározzon a vizsgálandó felületre. Azért választottam ezt a típusú LED-et, mert a szenzor érzékenységi tartományán belülre esik a LED által kibocsájtott fény hullámhossza, ami áramerősségtől függően 619-629nm között változhat. 7.1.2 Körlámpa tervezése A világítás fenntartásához terveztem és gyártottam egy körlámpát, ami tartalmazza a LED-eket. A 21. ábrán látható ennek a körlámpának a 2D-s metszeti képe.
21. ábra Körlámpa vázlat
31
A világítást hasonló módon alakítottam ki, mint a digitális tükörreflexes fényképezőgépekhez használható körvakuk. A 21. ábrán látható, hogy ha a körlámpa alja és a vizsgálandó felület távolsága 28,36 mm, akkor a LED-eket a körlámpa palástjához képest 110°-os dőlésszögben kell elhelyezni. A megvalósítás során a dőlésszög csak egy tájékoztató érték, a tervezőprogram azt kiadódó méretként kezeli, ugyanis az egyetlen paraméter, amit a szükséges kialakításhoz meg kell adni az a körlámpa és a talaj távolsága, ezáltal a szükséges dőlésszöget a program meghatározza. A 22. ábrán a körlámpa 3D-s metszete látható.
22. ábra Körlámpa térbeli metszete LED-ekkel
A térbeli metszeten látható, hogy a szenzor optikájának egy süllyesztés van kialakítva az anyagban, ezáltal az stabilan tart, továbbá látható, hogy a LED-ek milyen módon kerülnek beépítésre a körlámpába. A 23. ábrán látható a körlámpa működés közben.
23. ábra A kész körlámpa
32
A 23. ábrán látható, hogy a körlámpa elkészült és a LED-ek egy területre fókuszálnak.
7.2 Mérőállvány tervezése, elkészítése az optika kiválasztáshoz Az optika kiválasztásához terveztem és építettem egy mérőállványt, ami segítette és gyorsította a mérések elvégzését. 7.2.1 Tervezés A mérőállvány tervezésénél fő szempont volt, hogy az optika könnyen állítható, cserélhető legyen, mérés közben. Az állvány méreteit úgy választottam meg, hogy az használat közben stabil legyen akkor is, ha az objektív fókuszpontján állítok és a kommunikációhoz használt vezeték se tudja elmozdítani a szerkezetet mérés közben. A 24. ábrán látható a mérőkeret 3D-s terve.
24. ábra Mérőállvány, még csak virtuálisan
Az állványt úgy terveztem, hogy a rajta található nyílásba egy vonalzót helyezve könnyen leolvasható legyen az a távolság, ami a vizsgálandó felület és az állvány között van és ezután pedig számítható az optika és a felület távolsága, ami szükséges a robothoz gyártandó konzol tervezéséhez. Az állvány 4 sarkán található 1-1 beépített M3-as anya, ezekbe menetes szárat hajtva beállítható a megfelelő magasság. A magasság beállítása után az állvány stabil marad, a mérések elvégezhetők. Az állvánnyal vizsgálható az is, hogy milyen hatással van a mérésre, hogyha a robot menet 33
közben megbillen, rámegy egyik kerekével valamilyen akadályra és így a szenzor már nem merőleges a vizsgálandó felület síkjára. 7.2.2 Megvalósítás Mind a mérőállványt, mind a körlámpát háromdimenziós nyomtatással valósítottam meg. Az eljárás gyors, prototípuskészítésre megfelelő. A 25. ábrán az állvány gyártási folyamatának egy pillanata látható.
25. ábra Mérőállvány 3D-nyomtatása
A 25. ábrán látható mérőállvány elkészülése után, megfelelő pontosságú, ismételhető méréseket tudtam végezni.
7.3 Tesztelő áramkör tervezése A szenzor optikájának kiválasztásához nem a végleges hardverrel és az arra írt szoftverrel teszteltem, hanem külön, erre a célra tervezett egyszerű áramkörrel végeztem a méréseket. 7.3.1 Arduino UNO R3, ATmega 328P A teszteléshez használt áramkör egy ATmega 328P típusú AVR mikrovezérlő, ami az Arduino Uno R3 kártyákon is megtalálható. A tervezésnél a kapcsolási rajz egy részét az Arduino kártya terveinek és az ATmega 328P adatlapjában található tervezési ajánlások felhasználásával állítottam össze.
34
A 26. ábrán látható az Arduino Uno R3-as fejlesztőkártya kapcsolási rajzának részlete [7].
26. ábra Arduino Uno R3 kapcsolási rajz (részlet) [7]
A 26-os ábrán látható kapcsolási rajz alapján terveztem meg a mikrovezérlő oszcillátorához és AVCC bemenetéhez szükséges összeköttetéseket. A kapcsolási rajzon látható csatlakozók közül az SPI kommunikáció használatához szükséges csatlakozót használom, ami ICSP elnevezéssel van ellátva a rajzon. 7.3.2 Az általam tervezett kapcsolási rajz A mikrovezérlő működéséhez szükséges lábain felül az alábbi lábakat használom az áramkörben: PD0 (RXD) PD1 (TXD) PD7 (AIN1) PB2 (SS/OC1B) PB3 (MOSI) PB4 (MISO) PB5 (SCK).
35
A PD0 ás PD1 lábak a számítógéppel való kommunikációhoz kellenek, amelyet egy, az FTDI által gyártott, 3.3V-os jelszintű UART-TTL átalakító kábellel valósítottam meg. A többi láb a szenzorral történő szinkron-soros kommunikációhoz és a szenzor vezérléséhez kell. A 27. ábrán látható az általam tervezett elvi kapcsolási rajz.
27. ábra Saját kapcsolási rajz
A 27. ábrán látható kapcsolási rajzon a JP2 csatlakozó az FTDI kábel csatlakozója, ezen keresztül kommunikál a mikrovezérlő a számítógéppel, a JP3 nevű csatlakozó a mikrovezérlő programozó csatlakozója, míg a JP1 nevű csatlakozó köti össze egy szalagkábellel a mikrovezérlőt a szenzorral. 7.3.3 BOM Alkatrész
Érték
Eszköz
Tokozás
C1, C2
10uF
C-EUC1210
C1210
C3, C4
22p
C-EUC0805
C0805
C6
100n
C-EUC0805
C0805
IC1
MEGA8-P
MEGA8-P
DIL28-3
IC2
TS1117
TS1117
TO-252
Q1
7.372
508
508
R1
10k
R-EU_R1206
R1206
36
7.3.4 Az áramkör NYÁK-terve A 28. ábrán látható a teszteléshez tervezett áramkör NYÁK-terve.
28. ábra NYÁK-terv
A 28. ábrán a jobb láthatóság miatt nem látszik ugyan, de a tervezésnél teliföldet alkalmaztam, ezáltal csökkent az átvezetések száma és az áramkör gyártásánál is kevesebb összeköttetést kell alkalmazni a nagy fólia miatt. A kevesebb összeköttetés megkönnyíti mind a fototechnikás, mind a CNC marós eljárással készült áramkörök gyártását. A tervezésnél figyelembe kellett vennem, hogy a zavarok elkerülése érdekében a Q1 jelű kvarc-oszcillátornak és a hozzá tartozó kondenzátoroknak az AVR megfelelő lábaihoz a lehető legközelebb kell elhelyezkedniük. Az áramkörök tervezésénél általában a GND és a pozitív tápfeszültség huzalozásait szélesebb rézfóliával kell tervezni. Ez azért szükséges, hogy az esetlegesen nagyobb áramerősséget (~A) igénylő alkatrészek által felvett nagyobb áramerősség miatt ne melegedjen a vezetősáv. Ebben a kapcsolásban az alacsony feszültég-szintek és alacsony meghajtó áramerősségek miatt nem szükséges a tápvonalat vastagabb vezetősávval húzni, továbbá az esetleges disszipált hőmennyiséget elvezeti az általam alkalmazott teliföld, de ebben az alkalmazásban a teliföld ezen előnye nem kihasználható, mivel nincs 20mA-nál nagyobb áramerősség az áramkörben. Az áramkör tervezésénél törekedtem a lehető legkisebb méretű áramkör elkészítésére, így ahol lehetett SMT alkatrészeket alkalmaztam. 37
8
Optika kiválasztása Az optikák teszteléséhez, az ipari konzulensem, Árvai László által fejlesztett
tesztprogramot használtam. A szenzort 6 különböző optikával teszteltem, ezekből választottam ki 1 típust, ami a robotra kerül. A 29. ábrán látható a 6 db optika képe.
29. ábra Optikák
A 29. ábrán látható optikák közül az 5-ös és 6-os számú nem szolgáltatott megfelelő minőségű képet, így azoknak a további tesztelését mellőztem. 1. táblázat Optikák adatai
Optika
L [mm]
sorszáma
(optika-felület távolsága)
A [mm2]
min
max
min
max
1
2,5
24,5
~1
~10
2
2
9
~1
~16
3
42
100.5
~9
~400
4
2
6
~25
~6
Az 1. táblázat tartalmazza az objektívekkel végzett mérési eredményeket, amelyek alapján került kiválasztásra az optika. A kiválasztott optika a 3-as sorszámú lett, mivel az általa belátott terület megfelelő az alkalmazáshoz, illetve a fókusztartománya is illeszkedik a robot fizikai kialakításához. 38
A 30. és 31. ábra az általam kiválasztott optikával készült két esetet mutatja, amikor is az egyik eset az, amikor a fókuszpont távolsága a vizsgálandó felülethez képest a legkisebb, a másik, pedig amikor ez a távolság a legnagyobb. A szenzor elé a mérések közben mm-papírt helyeztem, így egyszerűen meghatározható a szenzor által látott terület.
30. ábra Legközelebbi fókuszpont
A 30. ábrán látható, hogy a szenzor a legközelebbi fókuszpontba állítva ~12mm2-nyi területet lát be.
31. ábra Legtávolabbi fókuszpont
A 31. ábrán látható, hogy a legtávolabbi fókuszpontban a szenzor által látott terület ~400mm2.
39
9
Robot elmozdulásának meghatározása A robot elmozdulásának meghatározásához nem elegendőek a szenzorok nyers
adatai, ugyanis a szenzor regisztereinek értékét szekvenciálisan kell kiolvasni, ezáltal mindig az előző helyzethez képesti elmozdulást lehet csak kiolvasni. A szenzor által szolgáltatott adatokat összegezni kell, és a robotvezérlő szoftverbe az összegzett adatokat küldi ki a mikrovezérlő egy kommunikációs csatornán. A mérésekhez nem elegendő 1 db szenzort alkalmazni, ugyanis az nem képes szögelfordulást mérni, csakis x és y irányú elmozdulást.
9.1 Szenzor elhelyezés A robot testén 2db szenzor kap helyet, ezek egymással egyvonalban helyezkednek el, a lehető legtávolabb a robot középpontjától. A 32. ábrán látható a robot sematikus modellje. Omnidirekcionális kerekek
Y X
Szenzor 2
Szenzor 1 32. ábra Robot vázlat
A 32. ábrán látható vázlaton feltüntettem a 3db, egymástól 120°-ra elhelyezett kereket és a 2db szenzort, amik a robot x tengelyén találhatóak. A szenzorok a robot alsó alaplemezén foglalnak helyet, a talajtól 50mm távolságra. Az 50mm-es távolság a kiválasztott optika két szélső fókuszpontján belül helyezkedik el, így a belátott felület nagysága megfelelő és az esetleges pályára kerülő szennyeződés sem befolyásolja a működést mivel optimális távolságra van a talajtól. A 33. ábrán a robot alsó szintjének összeállítási rajza látható.
40
9.2 Elmozdulás meghatározás matematikai formulája A robot irányításához szükség van a szenzorok által szolgáltatott elmozdulás értékekre és a szenzorok elhelyezkedésének adataira a robot koordináta rendszerében. A szenzorok elhelyezkedését a 33. ábra szemlélteti.
33. ábra Koordináta rendszer [14]
A 33. ábrán látható az YA és XA, abszolút koordináta rendszerben a robot koordináta rendszere YR, XR jelöléssel, és a szenzorok koordináta rendszere yi, xi jelöléssel. Az rR a robot távolsága az abszolút koordináta rendszer origójától, míg ri az egyes szenzorok távolsága a robot koordinátarendszerének origójától. Az ábrán θR az abszolút koordináta rendszer és a robot által bezárt szög, míg θi a szenzor szöghelyzete a robot x tengelyéhez képest és Φi a szenzor x tengelyének szöghelyzete az ri egyenesre felvett merőleges vonalhoz képest. A számításokhoz először három alapvető esetet kell megvizsgálni, amik a következőek: tisztán x irányú elmozdulás, tisztán y irányú elmozdulás, forgás.
41
9.2.1 X irányú elmozdulás A 34. ábrán látható a tisztán x irányú elmozdulás esete.
34. ábra X irányú elmozdulás [14]
A 34. ábrán látható θi a szenzor szöghelyzete a robot x tengelyéhez képest és Φi a szenzor x tengelyének szöghelyzete az ri egyenesre felvett merőleges vonalhoz képest. Tisztán x irányú elmozdulás esetén az alábbi összefüggések írhatók fel: 𝑥𝑖 = ∆𝑋𝑅 ∙ sin(𝜃𝑖 + 𝛷𝑖 )
(1)
𝑦𝑖 = ∆𝑌𝑅 ∙ cos(𝜃𝑖 + 𝛷𝑖 )
(2)
Az összefüggésekben ∆𝑋𝑅 és ∆𝑌𝑅 a tényleges x és y irányú elmozdulás, 𝑥𝑖 és 𝑦𝑖 pedig a szenzor által meghatározott elmozdulás érték. Ebben az esetben az y irányú elmozdulás és a szögelfordulás értéke 0°.
42
9.2.2 Y irányú elmozdulás A 35. ábrán látható a tisztán y irányú elmozdulás esete.
35. ábra Y irányú elmozdulás [14]
A 35. ábrán látható θi a szenzor szöghelyzete a robot x tengelyéhez képest és Φi a szenzor x tengelyének szöghelyzete az ri egyenesre felvett merőleges vonalhoz képest. Tisztán y irányú elmozdulás esetén az alábbi összefüggések írhatók fel: 𝑥𝑖 = −∆𝑌𝑅 ∙ cos(𝜃𝑖 + 𝛷𝑖 )
(3)
𝑦𝑖 = ∆𝑌𝑅 ∙ sin(𝜃𝑖 + 𝛷𝑖 )
(4)
Az összefüggésekben ∆𝑋𝑅 és ∆𝑌𝑅 a tényleges x és y irányú elmozdulás, 𝑥𝑖 és 𝑦𝑖 pedig a szenzor által meghatározott elmozdulás érték. Ebben az esetben az x irányú elmozdulás és a szögelfordulás értéke 0.
43
9.2.3 Szögelfordulás A 36. ábrán látható az az eset, amikor a robot csak valamilyen szögben fordul el.
36. ábra Szögelfordulás [14]
A 36. ábrán látható Φi a szenzor x tengelyének szöghelyzete az ri egyenesre felvett merőleges vonalhoz képest. Abban az esetben, amikor csak elfordulás van, az alábbi összefüggések írhatók fel: 𝑥𝑖 = −∆𝜔 ∙ 𝑟𝑖 ∙ cos(𝛷𝑖 )
(5)
𝑦𝑖 = ∆𝜔 ∙ 𝑟𝑖 ∙ sin(𝛷𝑖 )
(6)
Az összefüggésekben szereplő ∆𝜔 a tényleges szögelfordulás mértéke, 𝑟𝑖 pedig a szenzor távolsága a robot koordinátarendszerének origójához képest.
9.3 Végképletek A három alapeset által felírható összefüggéseket összevontam és felírtam egy általános képlet a szenzor által meghatározott x, illetve y adatokra vonatkozóan. 𝑥𝑖 = ∆𝑋𝑅 ∙ sin(𝜃𝑖 + 𝛷𝑖 ) − ∆𝑌𝑅 ∙ cos(𝜃𝑖 + 𝛷𝑖 ) − ∆𝜔 ∙ 𝑟𝑖 ∙ cos(𝜃𝑖 + 𝛷𝑖 )
(7)
𝑦𝑖 = ∆𝑋𝑅 ∙ cos(𝜃𝑖 + 𝛷𝑖 ) + ∆𝑌𝑅 ∙ sin(𝜃𝑖 + 𝛷𝑖 ) + ∆𝜔 ∙ 𝑟𝑖 ∙ sin(𝜃𝑖 + 𝛷𝑖 )
(8)
44
A két összefüggést az elmozdulási értékekre rendezve és a konstansokat oszlopvektorokba írva a következő összefüggést kapjuk:
x y X x y i
i
i
i
R
sin ( cos ( sin ( cos(
) ) Y ) ) i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
cos ( ) r cos sin ( ) r sin cos ( ) r cos sin ( ) r sin i
i
R
i
i
i
i
i
i
(9)
i
i
Az egyenletből kiemelve a tényleges elmozdulás értékeit, a konstansokból a következő mátrix hozható létre:
sin( cos( A sin( cos(
i
i
i
i
)
cos( ) r cos ) sin( ) r sin ) cos( ) r cos ) sin( ) r sin i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
(10)
i
i
A mátrixnak véve a Moore-Penrose inverzét és azt megszorozva a szenzor által szolgáltatott elmozdulásértékekkel, megkapjuk az abszolút elmozdulási étékeket. A Moore-Penrose inverz számítás: 𝐴+ = 𝐴𝑇 (𝐴𝐴𝑇 )−1
x Y A y x y
X
(11)
1
R
1
(12)
R
2
2
Ezzel az összefüggéssel meghatározható a robot által bejárt pálya, így annak az adatai továbbíthatóak a robotot vezérlő szoftver felé.
45
10 Szenzor illesztése kiválasztott mikrovezérlőhöz A működése során a szenzor egy mikrovezérlővel létesít kapcsolatot SPI kommunikációval, a szenzorok adatait a mikrovezérlőn futó szoftver dolgozza fel és továbbítja a robotot vezérlő rendszer felé.
10.1 STM32F4VCT6 A robot vezérlésére egy STM32F4VCT6 mikrovezérlő került kiválasztásra, ami az STMicroelectronics által gyártott fejlesztőkártyába van beültetve. A fejlesztőkártya előnye, hogy a mikrovezérlő működése biztosított, a ki és bemeneti portok ki vannak vezetve a kártya szélein található tüskesorokra, így gyors fejlesztést és hibakeresést tesz lehetővé. A 37. ábrán látható a fejlesztőkártya képe.
37. ábra STM32F4 fejlesztőkártya [12]
A 37. ábrán láthatóak a kártya oldalán elhelyezkedő tüskesorok, amik a mikrovezérlő portjai, továbbá két nyomógomb, amiből az egyik a kártya reset gombja, a másik pedig a felhasználó által konfigurálható. A 38. ábrán látható a mikrovezérlő konfigurációja, ami az STM32CubeMX programmal lett megvalósítva.
46
38. ábra STM32F4VCT6 konfiguráció
A 38. ábrán látható a mikrovezérlő B-portjához illesztett SPI kommunikáció (PB13, PB14, PB15), és a feldolgozott adatok továbbítását létrehozó A-porthoz csatlakoztatott USART kommunikáció (PA2, PA3). Ezáltal az összeköttetés által a szenzor képes kommunikálni a mikrovezérlővel, ami továbbítja a feldolgozott adatokat a robot vezérlő rendszere felé.
10.2 Program működése, folyamatábra A program két szenzor adatát dolgozza fel, az SPI kommunikációt úgy alakítottam ki, hogy ciklikusan, először az 1-es, majd a 2-es számú szenzor adatait kéri le és számítja ki, aztán küldi a vezérlő rendszer felé. A bekapcsoláskor a szenzorok NRST lábát logikai magas szintre kell húzni 1ms-ig, majd alacsonyra, és ott is tartani. A szenzor kiválasztása oly módon történik, hogy a tápfeszültség érzékelése után a szenzor NCS lábát logikai magas szintre kell felhúzni legalább 75µs-ig, utána pedig alacsonyra, és ott is kell tartani. A 39. ábrán látható a program folyamatábrája.
47
39. ábra Folyamatábra
A folyamatábrából látható, hogy a szenzor kiválasztási művelet után további 1ms-ot kell várni, hogy a kommunikációs csatorna inicializálódjon. Inicializálás után a program egy while-ciklusban olvassa ki és dolgozza fel a szenzor adatait. A ciklusban a szenzor adatainak olvasása után várni kell 1ms-ot, hogy a kommunikációs csatorna deinicializálódjon, azután az elmozdulás számítható.
48
11 Munkám során alkalmazott technológiák A szakdolgozatom készítése közben több szoftvert is használtam, illetve különböző hardveres eljárásokat alkalmaztam az általam tervezett alkatrészek, tartozékok megvalósításánál.
11.1 CooCox CoIDE A CooIDE egy ingyenes, nyílt forráskódú fejlesztőkörnyezet ami ARM Cortex M architektúrájú mikrokontrollerekre specializálódott. A fejlesztőkörnyezet Eclipse alapú. Nagy előnye, hogy teljesen ingyenes. Komponens orientált programozást lehet megvalósítani vele. Az interneten számos példaprogram és függvénykönyvtár fellelhető, ezek megkönnyítik a fejlesztést. A CooCox programcsomag, melynek része a CoIDE fejlesztőkörnyezet, ehhez több, a fejlesztést segítő kiegészítő program is csatlakozhat. A kutatásom során ezt a programcsomagot használtam a saját programom megírására és implementálására és a továbbiakban is ezt a programcsomagot fogom használni a szenzor adatainak feldolgozásához [8].
11.2 STM32CubeMX Az STM32Cube az ST által gyártott 32bites mikrovezérlők programozását hivatott könnyíteni. A szoftverrel inicializáló programkódokat lehet előállítani, amelyek jelentősen lecsökkentik a fejlesztési időt. A program úgy működik, hogy a grafikus felületén beállítható a megfelelő konfiguráció és azt a program programkódokká alakítja, így a fejlesztőkörnyezetben már nem kell azok előállításával foglalkozni, a főprogram azonnal elkezdhető [9].
11.3 SolidWorks 2015 A SolidWorks 3D-s tervezőprogram segítségével 2D-s vázlatokat és azokból 3D-s alkatrészeket, összeállításokat lehet szerkeszteni. Szerkesztés után összeállítási rajzot lehet készíteni a megrajzolt alkatrészről, összeállításról, ami alapján azt gyártatni lehet. A program továbbá több fájltípusba is tud exportálni, ezáltal átjárást biztosít egyik programból a másikba [10]. A számomra szükséges formátum a .STL kiterjesztés volt, ami a szükséges alkatrészek 3D nyomtatását tette lehetővé, ugyanis a 3D-s
49
nyomtatóknak ez a fájlformátum kell ahhoz, hogy a 3D-s tervezőprogram által generált grafikát feldolgozhassa a nyomtató szoftvere.
11.4 Eagle v7.5 Demo verzió Az Eagle egy NYÁK-tervező program, amit több ezer mérnök és fejlesztő használ világszerte [11]. Három modult tartalmaz, ami elősegíti a tervezést [11]: kapcsolási rajz tervező, áramkör tervező, autorouter. A szoftver alkatrészkönyvtárai teljesen nyílt elérésűek, a tervezők megoszthatják egymással az egyedileg tervezett alkatrészeiket. A program egyszerű, gyors áramkörfejlesztést tesz lehetővé, menürendszere jól átlátható [11].
11.5 STM32F4 fejlesztőkártya Az STMicroelectronics által gyártott 32bit-es ARM-Cortex M4F maggal ellátott mikrovezérlő kártya. A fejlesztőkártya egy LQFP100-as tokozású, STM32F4VGT6 típusú mikrokontroller programozását teszi lehetővé, továbbá a fejlesztőkártyán találhatóak különböző beépített perifériák. A mikrokontroller 1MB flash memóriával és 192KB RAM-al rendelkezik, tokozása LQFP100. A fejlesztőkártyán található egy programozó csatlakozó és egy kommunikációra alkalmas port. A fejlesztőkártyán található 2 db USB csatlakozó. A fejlesztőkártyán két USB port található, egyik a mikrovezérlő programozását teszi lehetővé, a másik általánosan felhasználható port, ezek bármelyikén kaphat tápfeszültséget is a kártya [12]. A fejlesztőkártyán található beépített egyéb perifériák [12]: ST által gyártott MEMS 3tengelyű gyorsulásérzékelő, MP45DT02 MEMS audió szenzor, CS43L22 audió DAC integrált D-osztályú meghajtóval, 8 db LED, ebből 4db a felhasználó által vezérelhető, 2db nyomógomb, ebből 1 a felhasználó által konfigurálható. 50
11.6 Velleman K8200 A Velleman K8200 egy háromdimenziós nyomtató, ami az FDM eljáráson alapul. Az FDM eljárás lényege, hogy a nyers műanyag szálat a nyomtató egy külső tárolóból kapja és a nyomtatás során az extrúder fej a műanyag szálat megolvasztja, és rétegenként egymásra építi. Az általam felhasznált alapanyagok az ABS és a PLA voltak. Az ABS erősebb, jobb fizikai tulajdonságokkal bíró alapanyag, míg a PLA valamivel gyengébb, főleg a prototípusgyártásban használatos anyag [13]. A 40. ábrán látható a nyomtató kialakítása.
40. ábra Velleman K8200
A 39. ábrán látható a nyomtató kialakítása, az alapanyag tartó orsó elhelyezkedése a váz jobb felső sarkán, a tárgyasztal, továbbá az, hogy a nyomtató 1db extrúderrel dolgozik.
11.7 Fototechnikás áramkörkészítés Az optika kiválasztásához szükséges volt gyártani egy áramkört, ami tartalmazza a tesztprogram futtatásához szükséges mikrovezérlőt és a kommunikációhoz szükséges csatlakozókat. Ezt az áramkört fototechnikás módszerrel készítettem el. A használt hordozó gyárilag fényérzékeny lakkal van bevonva, így ennél a fajta hordozónál nem szükséges Positiv 20 lakkal lefújni és hőkezelni a lemezt. Amennyiben a hordozó nincs gyárilag fényérzékeny lakkal ellátva, szükséges azt a lakkozás előtt megtisztítani zsírtól, 51
egyéb szennyeződésektől. A Positiv 20 alkalmazásakor ügyelni kell a spray megfelelő felvitelére, az egyenletes eloszlásra a hordozó felületén, továbbá szükség van egy égető kemencére is. Ezek a technológiai lépések nagyon nagy odafigyelést igényelnek és az eljárás során egy minimális hiba is több órányi munkát tehet tönkre, így én a gyárilag fényérzékeny réteggel bevont hordozót preferálom prototípus áramkör készítés során. Az általam alkalmazott eljárás lépései: áramköri rajz panelizálása, áramköri rajz kinyomtatása írásvetítő fóliára, LPKF marógéppel furatok kifúrása, írásvetítő fólia pozícionálása a kifúrt hordozóhoz, fólia rögzítése, a hordozó levilágítása UV fénnyel, egy meghatározott időtartamig, előhívás lúgos oldatban, maratás, a fennmaradt fényérzékeny lakk eltávolítása, tisztítás, kémiai ónozás. A levilágítás során az írásvetítő fólián az áramkör rajzolatának pozitív nyomata látható, tehát a fóliára került festék azokat a részeket takarja le, vagyis védi az UV fénytől, amiknek a maratás után meg kell maradniuk. A levilágítás során 3 percig kell az UV fénynek a hordozót érnie, ezután lehet csak előhívni. Túl rövid levilágítási idő során nem tud aktiválódni a fényérzékeny lakk teljes mértékben, így maratáskor a marószer nem tudja megfelelően leoldani a felesleges rezet. A túl hosszú levilágítási idő miatt az áramköri rajzolat is eltűnik a maratás során, mivel ha túl hosszú a levilágítási idő az UV fény aktiválhatja azokon a részeken is a fotolakkot, ahol a rajzolat van. Az előhívás során is ügyelni kell a megfelelő előhívási időre, ugyanis túl rövid előhívás után a marószer nem tudja feloldani teljesen a rézréteget, míg túl hosszú előhívás után teljesen eltűnik a fényérzékeny réteg, így a marószer lemarja a teljes rézfóliát a hordozóról. Az előhívás során gyári előhívószert használtam, amit előhívás előtt vízzel kell hígítani. Maratásnál sósav és hidrogén-peroxid oldatát használtam. A maratás után az áramkört megtisztítottam, majd újból beraktam az UV fény alá, hogy a maradék fényérzékeny lakkot is el tudjam távolítani. Az újbóli levilágítás után megint bekerült a panel az 52
előhívóba, egy bizonyos idő eltelte után pedig el lehetett távolítani a maradék lakkot a rézfólia felületéről. Ezután elvégeztem a kémiai ónozást a TN160 kémiai ónozó folyadék használatával. Ónozás után kézzel beültettem és beforrasztottam az alkatrészeket. Forrasztás után érdemes egy védőlakkal bevonni az áramköri rajzolatot, pl.: Transparent 21 lakkal a korrózió megelőzése érdekében. A forrasztás során folyékony folyasztószert használtam a forrasztás megkönnyítésének érdekében.
53
12 Következtetések Az általam készített rendszer működőképes, az általa szolgáltatott adatok felhasználhatóak a robot elmozdulásának mérésére. A szenzor érzékeny a környezeti fényviszonyokra, főleg az okoz nagy kihívást, ha sötét helyen alkalmazzák. A szükséges fényviszonyok előállítása elengedhetetlen a szenzor pontos működésének érdekében. A használat során érdemes csakis a szenzor által igényelt hullámhosszú és intenzitású fény létrehozása. A működés során az objektívek optikai tulajdonságaitól függő fókusztávolságot precízen be kell állítani és körültekintően kell optikát választani, ugyanis a jól megválasztott optikának megfelelő a mélységélesség tartománya, így a szenzort nem csak síkfelületen lehet alkalmazni, hanem rosszabb terepviszonyok esetében is. A tesztelések során felmerült annak a fejlesztési lehetőségnek a létjogosultsága, hogy a környezeti fényviszonyoktól függően egy elektronika automatikusan szabályozza a szenzor megvilágításának fényerejét. A folyamatos üzem fenntartásához nem ajánlott PWM-es vezérlés, hanem inkább egy szabályozható áramú áramgenerátoros LED-meghajtó készítése, amit meg lehet valósítani a piacon kapható, akár felületszerelt meghajtó áramkörökkel. Az alkalmazás során a helyzet-meghatározás pontosítására célszerű több szenzort, különböző szöghelyzetű elrendezésekben is felhasználni. Több szenzor alkalmazása ugyan nagyobb számítási kapacitást igényel a mikrovezérlőtől, de ha annak erőforrásai ezt lehetővé teszik és az alkalmazási terület indokolja ezt, akkor érdemes ezzel a lehetőséggel élni.
54
13 Összefoglaló Szakdolgozatomban a X. Magyarok A Marson robotépítő versenyre épített robot elmozdulásának mérését dolgoztam ki optikai áramlásmérő szenzorokkal. A robot omnidirekcionális kerekekkel van szerelve, ezáltal holonomikus mozgásra képes. A robot mozgása során így nem csak egyenesen tud haladni és kanyarodni, hanem a haladás során tetszőleges szögben is el tud fordulni. A robot helyzetét és az orientációját a navigációhoz elengedhetetlen pontosan tudni. A kerekekre helyezett enkóderek helyett optikai áramlásmérő szenzort használok, aminek segítségével, sokkal precízebben és közvetlen módon határozható meg az elmozdulás. A szenzor kiválasztása után méréseket, teszteket végeztem, hogy kiválasszam a megfelelő optikát és a megfelelő megvilágítás paramétereit. A tesztelésekhez, működtetéshez terveztem és gyártottam egy mérőeszközt, LED-es körlámpát, és egy tesztáramkört. Az optikai áramlásmérő szenzort fel lehet használni elmozdulás mérésére olyan kivitelben, ahogy az az optikai egerekben is alkalmazva van és úgy is, hogy külön NYÁK-ba ültetett, optikával felszerelt állapotban kerül beépítésre. Az optikai egér által használt megoldás csak teljesen síkfelületen használható, mivel a nagyobb anyaghibáknál, összetételeknél, mélyedéseknél a mért elmozdulás értékek hirtelen ugranak, ezáltal helytelen koordinátákat szolgáltat a vezérlő rendszernek. Az optikával szerelt változat alkalmazásával, még a pályára kerülő szennyeződések sem befolyásolják a mérési eredményeket, mivel az optika 20-40mm-re is elhelyezkedhet a talajtól. Az általam megvalósított rendszer 2db ADNS-3080 típusú szenzor adatainak segítségével határozza meg az elmozdulást. A szenzorok adatait egy 32 bites mikrovezérlő dolgozza fel és továbbítja az abszolút adatokat a robot operációs rendszerének. A rendszert tovább lehet fejleszteni több, pontosabb pontosabb szenzor felhasználásával. Lehet továbbá egy olyan megvilágítást alkalmazni, ami automatikusan szabályozza a LED-ek fényerejét különböző fényviszonyok esetén.
55
14 Summary In my thesis I designed a method to measure the motion of a robot, designed for the X. Magyarok A Marson robot building contest. The robot is designed with omnidirectional wheels, so it is able to holonomic movement. Becouse of the holonomic movement the robot can rotate by a specified angle while it is moving. It is needed to know the exact position and orientation of the robot for the precise navigation. Instead of encoders on the shaft of the wheels, I use two optical flow sensors for measure motion. The flow sensors are a measures a lot more accurate data of motion than the encoders so it is a better solution. After selecting the best sensor for my method I have done calculations and measurements to select lens and optimal illumination for the designed system. For the tests I needed to design and create test equipments. There are two wayst to use an optical flow sensor, one method is to use it as it is built into tho optical mice and the other one is to apply lens to it so it can placed above the surface. Usage of the method implemented in optical mice is not precise just on a flat surface becouse of the material defects of the surface. With lens the sensor can measure correct data even if the measured surface is not flat. The lens can be 20-40mm far from the measured surface. The system I designed uses two ADNS-3080 sensors to determinate the motion data of the robot. The data of the sensors are processed with a 32 bit microcontroller. The microcontroller processess the sensor data and send the motion data to the robot operating system. There are further possibilities availeble. More precise sensors could be applied and measures could be done with more sensors. There could be built a LED driver which changes the light intensity of the LEDs according to ambient light.
56
15 Köszönet Köszönet illeti ipari konzulensemet, Árvai Lászlót, a Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közhasznú Nonprofit Kft. Intelligens Rendszerek Divízió (BAY-SMART) Infokommunikációs Osztályának vezetőjét, aki az AVR-en futó tesztprogramot és a gyártás során használt 3D nyomtatót biztosította számomra. Köszönet illeti konzulensemet, Bartók Roland PhD hallgatót, aki segített a munkám során felmerülő nehézségeket leküzdeni, lelkiismeretes munkájával segítette az előrehaladásomat.
57
16 Irodalomjegyzék
[1] Miskolci Egyetem, Robert Bosch Mechatronikai Tanszék, „Szenzorok jegyzet”. [2] Kékvilág, „Szenzorika tanfolyami jegyzet,” [Online]. http://www.kekvilag.hu/didactic/letoltes/oktatas/Szenzorika_jegyzet.pdf. [3] Szirty. [Online]. http://szirty.uw.hu/Alapfokon/Encoder/encoder.html. [4] Centeye, [Online]. http://www.centeye.com/technology/optical-flow/. [5] Avago, „ADNS3080,” [Online]. www.avagotech.com. [6] Optosupply, „OS5RPM5B61A”. [7] Arduino. [Online]. https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/Arduino_Uno_Rev3-schematic.pdf. [8] CooCox. [Online]. http://www.coocox.org/. [9] STMicroelectronics. [Online]. http://www.st.com/web/catalog/tools/FM147/CL1794/SC961/SS1743 /LN1897?icmp=tt2930_gl_pron_oct2015&sc=stm32cube-pr14. [10] Eurosolid Kft., [Online]. http://www.eurosolid.hu/termekek/solidworks/solidworks-standard/. [11] Cadsoft USA, [Online]. http://www.cadsoftusa.com/. [12] S. microelectrics. [Online]. http://www.st.com/web/catalog/tools/FM116/CL1620/SC959/SS1532/LN1848/PF252419. [13] Velleman. [Online]. http://www.k8200.eu/images/products/0/k8200.jpg. [14] S. Bell, „High-Precision Robot Odometry Using an Array of Optical Mice”.
Az idézett forrásmunkák utoljára ellenőrizve: 2015. november 27. 58
17 Ábrajegyzék 1. ábra Intelligens szenzor blokkvázlata [1] ..................................................................... 6 2. ábra Optoelektronikai érzékelő felépítése [1] ............................................................... 8 3. ábra PSD működésének ábrázolása [1] ......................................................................... 9 4. ábra Inkrementális enkóder [13] ................................................................................. 13 5. ábra Útjeladó által szolgáltatott jelek [13] .................................................................. 13 6. ábra Kódtárcsa [13] ..................................................................................................... 14 7. ábra Abszolút enkóder elrendezése [13] ..................................................................... 15 8. ábra Optikai áramlás egy repülő szempontjából [3] ................................................... 17 9. ábra Optikai áramlás egy szitakötővel szemléltetve [3] ............................................. 18 10. ábra Optikai áramlási minta előre haladás esetén [3] ............................................... 19 11. ábra Optikai áramlási minta jobbra oldalazás esetén [3] .......................................... 19 12. ábra Optikai áramlási minta lebegés esetén [3] ........................................................ 20 13. ábra Optikai áramlási minta tárgyak kikerülése esetén [3] ....................................... 21 14. ábra Áramlási minta szűk helyeken történő manőverezés során [3]......................... 21 15. ábra ADNS 3080 [4] ................................................................................................. 23 16. ábra ADNS 3080 tömbvázlata [4] ............................................................................ 24 17. ábra ADNS 3080 lábkiosztás [4] .............................................................................. 25 18. ábra Szenzor érzékenység [4] ................................................................................... 26 19. ábra Szenzor elrendezés [4] ...................................................................................... 29 20. ábra OS5RPM5B61A fényeloszlási görbéje [5] ....................................................... 31 21. ábra Körlámpa vázlat ................................................................................................ 31 22. ábra Körlámpa térbeli metszete LED-ekkel.............................................................. 32 23. ábra A kész körlámpa ............................................................................................... 32 24. ábra Mérőállvány, még csak virtuálisan ................................................................... 33 25. ábra Mérőállvány 3D-nyomtatása ............................................................................. 34 26. ábra Arduino Uno R3 kapcsolási rajz (részlet) [6] ................................................... 35 27. ábra Saját kapcsolási rajz .......................................................................................... 36 28. ábra NYÁK-terv ....................................................................................................... 37 29. ábra Optikák .............................................................................................................. 38 30. ábra Legközelebbi fókuszpont .................................................................................. 39 31. ábra Legtávolabbi fókuszpont ................................................................................... 39 32. ábra Robot vázlat ...................................................................................................... 40 33. ábra Koordináta rendszer [14] .................................................................................. 41 34. ábra X irányú elmozdulás [14].................................................................................. 42 35. ábra Y irányú elmozdulás [14].................................................................................. 43 36. ábra Szögelfordulás [14] ........................................................................................... 44 37. ábra STM32F4 fejlesztőkártya [11] .......................................................................... 46 38. ábra STM32F4VCT6 konfiguráció ........................................................................... 47 39. ábra Folyamatábra..................................................................................................... 48 40. ábra Velleman K8200 ............................................................................................... 51
59
