Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса и задачи исследования 14
1.1. Манипуляторы как основа робототехнических систем 14
1.1.1. Машины для работы в экстремальных условиях 14
1.1.2. Манипуляторы типа "трипод" в технологических операциях 17
1.2. Манипулятор-трипод в составе мобильного робота 27
1.3. Конструктивное выполнение исполнительных звеньев манипулятора 30
1.4. Цель и задачи диссертационной работы 32
ГЛАВА 2. Аналитическое исследование манипулятора-трипода 33
2.1. Структурный анализ манипулятора с пятиподвижным сферическим шарнирным узлом и поступательными кинематическими парами V класса в исполнительных звеньях 34
2.2. Структурный анализ манипулятора с четырехподвижным шарнирным узлом 36
2.2.1. Манипулятор - трипод с двухподвижными поступательными кинематическими парами IV класса в исполнительных звеньях 36
2.2.2. Манипулятор - трипод с одноподвижными поступательными кинематическими парами V класса в исполнительных звеньях 37
2.3. Геометрический синтез манипулятора – трипода на поворотном основании 40
2.4. Определение зоны обслуживания манипулятора-трипода с четырьмя поступательными парами 45
2.4.1. Обратная задача кинематики манипулятора – трипода 45
2.4.2. Конфигурация зоны обслуживания манипулятора - трипода 48
2.5. Силовой анализ статических режимов работы манипулятора-трипода 52
2.6. Выводы по главе 2 59
ГЛАВА 3. Синтез законов перемещения захватного устройства манипулятора-трипода 61
3.1. Задача позиционирования манипулятора - трипода 61
3.2. Траекторная задача позиционирования схвата манипулятора-трипода 67
3.2.1. Движение схвата манипулятора-трипода по заранее неопределенной траектории при синусоидальном законе изменения ускорений штоков исполнительных звеньев 68
3.2.2. Движение схвата манипулятора-трипода по прямолинейной тректории 70
3.3. Метод расчёта программного перемещения рабочего органа манипулятора -
трипода из начального положения в конечное 74
3.3.1. Движение схвата по заранее неопределенной траектории при синусоидальном законе изменения ускорений штоков исполнительных звеньев..74
3.3.2. Движение схвата по прямолинейной траектории 77
3.4. Сравнительный анализ позиционирования схвата манипулятора-трипода по заранее неопределенной и по прямой траектории 80
3.5. Выводы по главе 3 85
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование макета манипулятора-трипода 87
4.1. Описание экспериментального макета манипулятора-трипода 87
4.2. Аппаратная реализация системы управления манипулятором 89
4.2.1. Подсистема управления манипулятором мобильного робота 89
4.2.2. Средства беспроводной связи с манипулятором 95
4.2.3. Подсистема беспроводной передачи данных 96
4.3. Разработка программного обеспечения управления приводами манипулятора 99
4.3.1. Программное обеспечение микроконтроллера мобильного робота 101
4.3.2. Программный модуль управления актуаторами манипулятора 103
4.3.2.1. Команда чтения параметров актуатора 105
4.3.2.2. Команда ручного управления актуаторами манипулятора 106
4.3.2.3. Команда движения до заданной позиции штока актуатора 108
4.3.2.4. Поток слежения за длинами актуаторов манипулятора 109
4.3.3. Программное обеспечение на компьютере верхнего уровня 110
4.4. Результаты экспериментального определения перемещения схвата манипулятора по заданным законам движения 112
4.5. Выводы по главе 4 115
Заключение 116
Литература 118
Приложение 133
- Конструктивное выполнение исполнительных звеньев манипулятора
- Манипулятор - трипод с двухподвижными поступательными кинематическими парами IV класса в исполнительных звеньях
- Движение схвата манипулятора-трипода по заранее неопределенной траектории при синусоидальном законе изменения ускорений штоков исполнительных звеньев
- Средства беспроводной связи с манипулятором
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время, мобильные роботы лёгкого класса, оснащённые манипуляторами, могут применяться для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. С их помощью производят погрузочно-разгрузочные работы, работы по расчистке завалов и разборке аварийных конструкций, разминированию. В агропромышленном производстве наиболее трудоёмкими являются погрузочно-разгрузочные работы с пакетированными грузами.
В зависимости от области использования определяются основные функциональные показатели манипуляторов, к которым относятся грузоподъемность, мобильность, рабочая зона, погрешность позиционирования. Обычно на роботе устанавливаются традиционные манипуляторы, представляющие собой цепь звеньев механической системы, последовательно соединённых друг с другом с помощью различных кинематических пар. Такие манипуляторы имеют низкий показатель грузоподъёмности, характеризуются высокими статическими и динамическими ошибками.
Одним из способов преодоления указанных недостатков является использование в качестве звеньев манипулятора механизмов параллельной структуры. Применение в мобильных робототехнических комплексах манипуляторов параллельной структуры позволяет снизить металлоемкость, повысить жесткость, обеспечить достаточно высокие динамические характеристики и упростить исполнительную часть манипулятора. К недостаткам механизмов параллельной структуры относятся ограниченность рабочей зоны, относительно небольшая манипулятивность, сложность системы управления, что препятствует широкому применению таких манипуляторов.
В связи с этим актуальность приобретает задача выбора рациональных геометрических, кинематических и силовых параметров манипуляторов с механизмами параллельной структуры, устанавливаемых на мобильном роботе.
Объект исследования. Объектом диссертационного исследования является трёхстепенной манипулятор с пространственным исполнительным механизмом параллельной структуры, установленный на поворотном основании.
Цель и основные задачи. Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования манипулятора – трипода на поворотном основании путем совершенствования алгоритмов управления приводными звеньями, а также разработки математических и физических моделей.
Для достижения поставленной цели рассмотрены и решены следующие задачи:
-
Проведение структурного анализа механизмов манипулятора – трипода, установленного на поворотном основании с четырьмя линейными приводными звеньями.
-
Разработка метода расчёта геометрических параметров исполнительных звеньев и поворотного основания манипулятора с учётом ограничений, накладываемых размерами и параметрами статической устойчивости мобильной платформы, на которую устанавливается манипулятор и обеспечивающие требуемую зону обслуживания.
-
Определение конфигурации и значений параметров зоны обслуживания при разном размещении установочных узлов исполнительных звеньев на поворотном основании и с ограничениями на величину хода приводов.
-
Исследование распределений нагрузок на звенья механизмов манипулятора – трипода на поворотном основании для статических режимов его функционирования.
-
Позиционирование схвата, обеспечиваемое геометрией манипулятора, выбора траектории схвата в пространстве, ограниченном рабочей зоной и определение закона движения схвата по полученной траектории.
-
Проведение численных экспериментов и моделирования на макете манипулятора с целью проверки эффективности разработанных алгоритмов управления приводными звеньями.
Методы исследования. Геометрические, кинематические и силовые характеристики манипулятора исследовались с использованием методов теории механизмов и машин, теоретической и аналитической механики. При решении задач на ЭВМ использовались стандартные численные методы, при составлении программ использован пакет математических вычислений «MathCad». Моделирование на макете манипулятора разработанных алгоритмов управления приводными звеньями реализовано на языке программирования C#.
Научная новизна. Определены структурные схемы манипулятора – трипода для двух типов шарнирного узла, соединяющего звенья переменной длины из условий реализации требуемых движений, без избыточных связей и местных подвижностей.
Разработан метод расчёта геометрических параметров исполнительных звеньев и поворотного основания с ограничениями, накладываемыми размерами и параметрами статической устойчивости мобильной платформы, на которую устанавливается манипулятор.
Получен алгоритм построения траекторий, формирующих зону обслуживания в зависимости от геометрических параметров поворотного основания с ограничениями на величину хода исполнительных приводов.
Сформирован алгоритм построения нагрузочной геометрико – статической характеристики манипулятора – трипода с поворотным основанием по заданным сечениям зоны обслуживания.
Решена оптимизационная задача с ограничениями типа равенства и неравенств, минимизирующая изменения длин приводных звеньев манипулятора, при позиционировании схвата в заданную точку рабочей зоны.
Положения выносимые на защиту.
-
Результаты структурного анализа манипулятора – трипода из условий реализации требуемых движений, без избыточных связей и местных подвижностей.
-
Метод расчёта геометрических параметров приводных звеньев и поворотного основания с учётом ограничений, накладываемых размерами и параметрами статической устойчивости мобильной платформы, на которую устанавливается манипулятор и обеспечивающие требуемую зону обслуживания.
-
Алгоритм построения траекторий, формирующих зону обслуживания.
-
Алгоритм построения нагрузочной геометрико – статической характеристики манипулятора – трипода с поворотным основанием.
-
Решение оптимизационной задачи позиционирования схвата манипулятора.
Практическая значимость результатов исследования. Основываясь на результатах теоретических и экспериментальных исследований, полученных в результате решения поставленных задач, разработана конструкция и изготовлен робототехнический комплекс РШ – 7 (Патент №2476372 РФ, МПК7 B66C23/36). Манипулятор - трипод с четырьмя линейными приводными звеньями установлен на роботе повышенной профильной проходимости с шагающими движителями.
Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует Паспорту специальностей научных работников по шифру 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин: п. 2 "Теория и методы проектирования машин и механизмов, систем приводов, узлов и деталей машин".
Апробация работы. Для выяснения степени новизны и оригинальности методов и подходов, использованных в ходе выполнения исследования, результаты исследований обсуждались и получили одобрение на следующих научных конференциях:
Международная научно-практическая конференция "Интеграционные процессы в науке, образовании и аграрном производстве - залог успешного развития АПК", г.Волгоград 25-27 января 2011г.
V Международная научно-практическая конференция молодых исследователей, г.Волгоград, 11-13 мая 2011г.
4-я Всероссийская мультиконференция по проблемам управления, пос. Дивноморское, Геленджик, 3-8 октября 2011г.
Международная научно-практическая конференция. Экстремальная робототехника, г.Санкт-Петербург, 2011г.
Международная научно-практическая конференция, г.Волгоград, 31 января -2 февраля 2012г.
- XXV Международная научная конференция ММТТ-25,
г.Волгоград, 28 -31 мая 2012г.
- Современное машиностроение. Наука и образование. 2-ая Между
народная научно-практическая конференция, г.Санкт-Петербург, 2012г.
- 5-я Российская мультиконференция по проблемам управления. «Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах (УТЭОСС-2012)», г.Санкт-Петербург, 9-11 октября 2012 г.
Международная научно-практическая конференция «Интеграция науки и производства – стратегия успешного развития АПК в условиях вступления России в ВТО», г.Волгоград, 30 января -1 февраля 2013г.
Современное машиностроение. Наука и образование: 3-я Международная научно-практическая конференция, г.Санкт-Петербург 20-21 июня 2013г.
Международная конференция "Прогресс транспортных средств и систем - 2013", г.Волгоград, 24 - 26 сентября 2013 г.
6-я Всероссийская мультиконференция по проблемам управления, пос. Дивноморское, Геленджик, 30 сентября - 5 октября 2013г.
Экспериментальный макет манипулятора-трипода демонстрировался на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи 26-29 июня 2012 года (г. Москва).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 22 печатных работах, из них 3 в периодических изданиях рекомендованных ВАК, получены 2 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Диссертация содержит 148 листов машинописного текста. Список литературы содержит 145 наименования, представлен на 15 страницах.
Конструктивное выполнение исполнительных звеньев манипулятора
В настоящее время разработаны современные электропривода постоянного тока на базе высокоскоростных двигателей, удельная мощность которых приближена к удельной мощности гидродвигателей. Исполнительные линейные приводы – электроцилиндры (актуаторы) могут эффективно заменить гидравлический или пневмопривод во многих мобильных технологических машинах [114]. Преимущества электроцилиндров – безопасность и экологичность, способность работать в широком температурном диапазоне от – 40 до +80С, что несомненно важный фактор для использования в различных экстремальных условиях. Неоспоримыми достоинствами электроцилиндров являются простота обслуживания, стабильность усилия, быстродействие не ниже чем у гидроцилиндров и высокая точность позиционирования. К тому же автоматизация однотипных операций при использовании электропривода реализуется проще по сравнению с гидроприводом
Анализ электроцилиндров доступных на российском рынке, и сравнение их характеристик с гидроцилиндрами показал, что электроцилиндры уступают гидроцилиндрам по характеру воспринимаемых нагрузок, актуаторы чувствительны к радиальным нагрузкам, и при одинаковых развиваемых усилиях гидроцилиндры могут развивать большую скорость перемещения по сравнению с электроцилиндрами.
Как показывают расчеты для электроцилиндров с шариковинтовой передачей (актуаторы SFK) КПД привода составляет 68…75%, при том как КПД гидропривода всего 52…63%. Более дорогостоящие актуаторы с ролико-винтовой передачей, например фирмы Exlar позволяют достичь КПД до 78…82%.
Наиболее эффективное применение электроцилиндры могут найти в малогабаритных мобильных роботах, оснащенных погрузочными манипуляторами с пространственными исполнительными механизмами [23], особенностями которых являются сложность позиционирования и управления.
Применение электроцилиндров взамен гидравлическим в мобильных технологических машинах открывает новые возможности управления машинами и автоматизации как отдельных операций, так и некоторых технологических процессов. 1.4. Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования манипулятора – трипода на поворотном основании путем совершенствования алгоритмов управления приводными звеньями, а также разработки математических и физических моделей.
Для достижения поставленной цели рассмотрены и решены следующие задачи:
1. Проведение структурного анализа механизмов манипулятора – трипода, установленного на поворотном основании с четырьмя линейными приводными звеньями.
2. Разработка метода расчёта геометрических параметров исполнительных звеньев и поворотного основания манипулятора с учётом ограничений, накладываемых размерами и параметрами статической устойчивости мобильной платформы, на которую устанавливается манипулятор и обеспечивающие требуемую зону обслуживания.
3. Определение конфигурации и значений параметров зоны обслуживания при разном размещении установочных узлов исполнительных звеньев на поворотном основании и с ограничениями на величину хода приводов.
4. Исследование распределений нагрузок на звенья механизмов манипулятора – трипода на поворотном основании для статических режимов его функционирования.
5. Позиционирование схвата, обеспечиваемое геометрией манипулятора, выбора траектории схвата в пространстве, ограниченном рабочей зоной и определение закона движения схвата по полученной траектории.
6. Проведение численных экспериментов и моделирования на макете манипулятора с целью проверки эффективности разработанных алгоритмов управления приводными звеньями.
Манипулятор - трипод с двухподвижными поступательными кинематическими парами IV класса в исполнительных звеньях
Структурная схема манипулятора параллельной структуры, в котором оси исполнительных цилиндров линейного перемещения геометрически сходятся в одной точке посредством четырёхподвижного шарнирного узла, представлена на рис. 2.2.
Рисунок 2.2. Структурная схема манипулятора - трипода с двухподвижными поступательными кинематическими парами IV класса в исполнительных звеньях
Если считать входные звенья исполнительных цилиндров с кинематическими парами 2-3, 5-6 и 8-9 IV класса, т.е. они имеют по две подвижности: первая – поступательное движение штока относительно корпуса цилиндра, а вторая – вращательное движение штока относительно продольной оси корпуса цилиндра, тогда при n=11, p5=10 и p4=3, число степеней подвижности манипулятора равно что указывает на лишнюю степень подвижности.
Для исключения лишней степени подвижности будем считать кинематические пары 2-3, 5-6 и 8-9 одноподвижными поступательными (исполнительными звеньями в таком случае могут служить электромеханические линейные движители – актуаторы).
Представим механизм манипулятора - трипода (рис. 2.2), с кинематическими парами только V класса, как квазиплоский в декартовой системе координат, ось Z которой направлена перпендикулярно плоскости квазиплоского механизма (рис. 2.3), для данной структуры степень подвижности выходного звена 11 равна
Для определения избыточных связей записываются уравнения связей через возможные перемещения
Устранение связей х=0 или у=0 в точках А и В приведёт к увеличению степени подвижности механизма (кинематические пары 2-3, 5-6, 8-9 -одноподвижные кинематические пары). Сложная кинематическая связь 6-10-3-11 также не изменяется, из-за нежелательности конструктивного усложнения шарнирного узла М. Устранённые связи являются освобождающими, на рис. 2.4 представлена структурная схема квазиплоского механизма, соответствующая пространственному механизму со степенью подвижности W=3. Избыточные связи в этом механизме исключены за счёт введения дополнительных вращательных кинематических пар.
Квазиплоский механизм, соответствующий пространственному механизму манипулятора - трипода без избыточных связей
Переходя от квазиплоского механизма к пространственному видно, что шарнирные узлы в точках В и С должны быть не двухподвижными (р4), а трёхподвижными (р3). Дополнительные подвижности позволят исключить геометрическое вырождение трипода и уменьшить углы давления в кинематических парах при приближении к границам зоны обслуживания. Вместо сферического трёхподвижного шарнира предлагается применение трёхподвижного шарнирного узла (табл. 2.1), в котором используются только вращательные одноподвижные кинематические пары, исключающие наматывание шлангов, или проводов с возможным их разрушением.
На рис. 2.5. представлена кинематическая схема манипулятора с тремя степенями подвижности.
Структурная схема манипулятора - трипода с одноподвижными поступательными кинематическими парами V класса в исполнительных звеньях
Важной задачей является определение положения в пространстве выходного звена 11 (рис. 2.5), являющегося корпусом четырехподвижного шарнирного узла. Если в качестве грузозахватного оборудования на манипуляторах подобной структуры использовать крюковую подвеску, которая всегда стремиться занять вертикальное положение, то достаточно позиционировать шарнирный узел в пространстве только по трём координатам [51]. Для другого грузозахватного оборудования задача позиционирования выходного звена достаточно актуальна.
При любых значениях ВМ (Х2) и СМ (Х3) звено 11 (рис.2.5) всегда остаётся параллельным оси 7, т.к. ему не даёт проворачиваться звено 9. При изменении длины AM (L1) корпус шарнирного узла (звено 11) наклоняется к горизонтали под таким же углом, под каким отклоняется от вертикали АВСМ. Таким образом, пространственное положение схвата, установленного на корпусе шарнира, определяется однозначно.
Геометрические размеры звеньев определяются из условий реализации требуемого движения, в частности, необходимой зоны обслуживания и ограничений, накладываемых геометрическими параметрами мобильной платформы, на которую устанавливается манипулятор [23, 29, 30].
За основные геометрические ограничения при синтезе манипулятора на основе пространственного механизма принимаем
- угол сектора зоны действия в горизонтальной плоскости 90 ;
- сторона основания пирамиды, образованная исполнительными механизмами манипулятора ограничивается габаритами платформы а [а];
- нижняя точка зоны действия схвата относительно поверхности Mmin [И;
- максимальный вылет схвата от передней кромки робота /max [/];
- коэффициент запаса собственной устойчивости KУ=MG/MB [КУ] =1,15.
Наибольшее значение угла сектора реализуется в случае, когда СМВ параллелен плоскости XOY (рис. 2.6), и длина актуатора L2 минимальна, а Ь3 максимальна в крайнем правом положении, и наоборот L2 максимальна, а Ь3 минимальна в крайнем левом положении. Так как механизм симметричен относительно оси OY, то достаточно рассмотреть его движение при постоянной минимальной длине цилиндра L2 и изменении только L3. Приняв выше указанные допущения (СМВ XOY и L2=const) получим плоскую замещающую схему с качающимся актуатором L3 и коромыслом L2. Тогда при переходе из одного крайнего положения СМ\В в другое СМ2В длина актуатора L2 изменяется от L2min до L2мах, поворачивая актуатор L3 на угол а. Удлинение актуатора обозначим за h=L2мах - L2min, отношение длины актуатора к ходу штока есть коэффициент удлинения актуатора к= L2/ h. Для гидроцилиндров погрузочных машин к = 1,4 - 3 [106], для электроцилиндров (актуаторов), в дальнейшем примем диапазон изменения к =1 - 2.
Движение схвата манипулятора-трипода по заранее неопределенной траектории при синусоидальном законе изменения ускорений штоков исполнительных звеньев
Считая, что начальные значения длин звеньев манипулятора известны Lw, L20, 30, Lwfpo), а конечная конфигурация системы определена оптимизацией квадратичного функционала Ф , т.е. известны L\k, Lih L u, L u ((Pk), зададимся законом движения звеньев от До до L исходя из условия «мягкого» трогания и касания, заключающегося в выполнении условия равенства нулю скоростей и ускорений схвата в начальном и конечном положениях.
Такому требованию удовлетворяет синусоидальный закон программного движения звена (рис. 3.5) где L0 и Lk – начальная и конечная длина звена, м; t – текущее время движения, с; Т – конечное время движения, с. Законы изменения обобщённых координат от времени запишутся в виде
Время движения всех звеньев принимается одинаковым, однако, перемещения (Ljk - LJO) различны, поэтому за конечное время Т принимается время работы звена, которое перемещает шток на наибольшее расстояние где Vmax, м/с - максимальная допустимая скорость движения штока актуатора. Закон программного движения по заданной траектории. Подставив законы изменения Li(t)и (t) из выражений (3.10, 3.12) в уравнения (2.22), получатся тем самым законы изменения координат от времени:
Движение схвата манипулятора-трипода по прямолинейной тректории
Наиболее оптимальная по времени перемещения траектория, это прямая, поэтому приняв такую траекторию задача позиционирования сводится к перемещению схвата по отрезку М0Мk. Однако, такое перемещение возможно в том случае, когда все точки отрезка М0Мk принадлежат выпуклому множеству, являющемуся частью зоны обслуживания.
Канонические уравнения прямой в пространстве, проходящей через две точки [50] введём обозначения констант, зависящих только от начальной и конечной конфигурации системы подставив константы (3.19) в систему уравнений (3.18) получим зависимости изменения координат схвата при его перемещении по прямой линии
С точки зрения дифференциальной геометрии длина участка кривой в декартовых координатах при естественной параметризации, когда длина дуги кривой отсчитывается от некоторой фиксированной точки, в нашем случае это
Используя систему уравнений (3.20) решим выражение (3.21) относительно Конечное значение Sk можно определить из начальных и конечных условий: трёх выражениях системы (3.23) при заданных начальных и конечных условиях получатся одинаковые значения.
Для вывода зависимости Lt(S) проинтегрируем выражения (3.22) при начальных условиях Хм0 = Хм0, Ум0 = Ум0, м0 = ZM0 и неизвестных конечных координатах введём обозначения коэффициентов
Закон движения по прямой М0Мk примем таким, чтобы он удовлетворял требованиям «мягкого» касания
За конечное время T принимается время работы актуатора, который перемещает шток на наибольшее расстояние согласно уравнениям (3.13, 3.14) .
С учетом выбранного синусоидального закона перемещения (3.28) выражения (3.27) примут вид
Таким образом, решение уравнений (3.1) с учетов зависимостей (3.27) позволяет найти программные законы изменения длин звеньев Ц (V).
Средства беспроводной связи с манипулятором
Для удаленного управления манипулятором выбраны два приёмопередатчика серии YS-1100 (рис. 4.7). Один из них оснащён интерфейсом USB (YS-1100USB), другой – интерфейсом RS232 (YS-1100U).
Приемо-передатчик YS-1100U это законченный радиочастотный модуль со встроенным протоколом, предназначенный для работы в частотном диапазоне 433МГц и позволяющий организовать беспроводную передачу данных на расстоянии до 500 метров между двумя устройствами с RS-232 (UART) интерфейсом. Благодаря встроенному, уже запрограммированному микроконтроллеру производства компании NXP, радиомодуль YS-1100U может передавать данные в «прозрачном» режиме на одном из 16 частотных каналов. В качестве радиотрансивера применен приемопередатчик CC1100 (Texas Instruments). Большая выходная мощность (17дБм) и высокая чувствительность (-112дБм) позволяют обеспечить надежную передачу данных даже в промышленных условиях.
Радиомодуль YS-1100U USB также работает в диапазоне 433 МГц и позволяет организовать беспроводную передачу данных на расстоянии до 500 метров, в «прозрачном» режиме на одном из 16 частотных каналов. Дополнительно для реализации интерфейса USB в радиомодуле использована микросхема моста UART/USB PL2303.
Для конфигурации модуля предусмотрена бесплатная утилита для ПК, которая позволяет задать рабочий частотный канал, параметры интерфейса RS-232 и оптимальную скорость передачи данных в радиоканале. К достоинствам модуля можно отнести широкий температурный диапазон (–35...+75С) и возможность работы по интерфейсу RS-485 (опция). Стандартный SMA-разъем позволяет использовать антенну любого типа – штыревую, на магнитном основании или направленную антенну с большим усилением для получения дальности связи до нескольких километров. Радиочастотный модуль YS-1100U предназначен для применения в различных системах малого радиуса действия с двухсторонней передачей данных в безлицензионном диапазоне частот 433МГц [76].
Для организации беспроводного канала связи используются модули YS1100U. Модуль со стороны супервизора подключается по интерфейсу USB, но в операционной системе он выступает в качестве виртуального COM-порта. В этом случае для оператора работа по обмену данными между системой управления манипулятором робота и супервизором сводится к работе с COM-портом компьютера [76].
МодульYS1100U со стороны системы управления манипулятором должен подключаться по интерфейсу RS-232, в котором передаваемые данные представлены разнополярными сигналами, в то время как встроенный последовательный порт USART микроконтроллера работает с TTL-уровнями. С целью согласования уровней используется преобразователь сигналов интерфейса RS-232 в TTL-уровни, совместимые с портом USART.
Структурная схема подсистемы беспроводной передачи данных отображена на рис. 4.8.
Структурная схема подсистемы беспроводной передачи данных В качестве преобразователя применена интегральная схема MAX232. Преобразователь MAX232 это специализированое решение проблем совместимости уровней модулей коммуникации. В стандарте RS-232 логическому нулю соответствует диапазон напряжений от +3В до +12В, а логической единице соответствует диапазон напряжений от -3В до -12В. Плата преобразует уровни логического нуля и единицы в уровни TTL-логики, где логическому нулю соответствует диапазон +(0 – 0,4)В, а логической единице: + (2,5 – 4,5)В [97]. Так как используется асинхронный режим прима/передачи, то в микроконтроллере обмен данными производится по линиям RXD, TXD, остальные линии не используются.
В асинхронном режиме обмена последовательный порт микроконтроллера соединен с линией приема данных –RXD и линией передачи данных –TXD. В микроконтроллере STM32F100RB встроены три порта универсального синхронно-асинхронного приемо-передатчика. Выводы RXD и TXD, каждого из портов, соединены с определенными линиями общего назначения GPIO микроконтроллера. В системе управления используется первый порт USART, вход приема RXD данных которого выведен на линию PB7, а выход передачи данных на линию PB6 [85].
Принципиальная схема подсистемы передачи данных приведена на рис. 4.9. Настройки порта USART микроконтроллера и порт коммуникации модуля приема/передачи выбраны стандартными:
- Скорость: 9600 бод в секунду.
- Без контроля четности.
- Один стоп – бит.
- Без управления потоком.
Программное обеспечение, разработанное для управления
электроприводами мобильного робота, разделено на два уровня. Нижний уровень включает модули управления отдельными механизмами мобильного робота, выполняемые на микроконтроллере бортовой системы. Верхний уровень представляет программный модуль, исполняемый на управляющем компьютере и реализующий набор функций для вычисления основных параметров алгоритмов управления электроприводами подвижных платформ мобильного робота и актуаторов манипулятора в реальном времени в зависимости от заданных режимов работы.
Обмен информацией между программами нижнего и верхнего уровней осуществляется по протоколу, основанному на разработанной системе команд управления. Формат и полный список команд приведен на рис. 4.10.
Модули нижнего уровня написаны на языке C++ в среде разработки KeiluVision (MDK-ARM) и загружаются в память программ микроконтроллера с помощью программатора/отладчика ST-Link. Микроконтроллер генерирует все основные сигналы управления исполнительными устройствами мобильного робота, включающими двигатели постоянного тока приводов колесного шасси робота, сервопривод поворотной платформы и актуаторы (линейные приводы) манипулятора.
