3. Состав электрики и электроники

Для реализации разработанного РУВП кроме конструкции большое значение имеет внутренняя система управления и связи. Всю систему электроники можно разбить на функциональные части.

1. система управления движением;

2. система управления МОТ и манипулятором;

3. система передачи аудио- и видео- сигналов;

4. система передачи телеметрической информации;

5. система управления импеллером и вакуумированием;

6. система навигации и положения;

7. система управления питанием;

8. система центрального управления и внутреннего контроля.

Система управления движением.

В составе РУВП есть полноприводная система передвижения, представляющая собой четыре колеса, каждое из которых имеет свой двигатель и плату управления. В качестве двигателя выступает сборка из двигателя постоянного тока (ДВП) повышенной мощности, магнита и датчика положения, представленная на рисунке 2.5. Для управления двигателем используется плата позиционно-скоростного управления, реализующая функции контроля параметров сборки.

Рисунок 2.5 – Двигатель для колеса РУВП

В сборке используется мотор-редуктор Micro Gearmotor Extended HP, магнит, датчик абсолютного положения AS5040.

Таблица 2.1 – характеристики Micro Gearmotor Extended HP

Производитель	Pololu Robotics and Electronics
Размеры D-образного выходного вала, мм	Диаметр – 3,0 Длина - 9,2
Размеры дополнительного вала, мм	Диаметр – 1,0 Длина - 4,5
Габаритные размеры, мм	24 х 10 х 12
Диапазон напряжения (DC), В	3 - 9
Ток на холостом ходу, мА	до 100
Передаточное число	298:1
Момент, кг*см	6,5
Обороты, об/мин	100 - 6000
Масса, г	10
Ток опрокидывания, А	1,6 (HP) и 0,36 (стандартные)

10-битный датчик углового положения AS5040.

AS5040 – это бесконтактный датчик углового положения для точного измерения углового перемещения при повороте на 360°. Датчик включает в себя элементы, принцип работы которых основывается на эффекте Холла, аналоговый вход и модуль обработки цифровых сигналов.

Для измерения углового перемещения требуется только двухполюсный магнит, вращающийся над центром датчика. Он может быть размещен как над, так и под микросхемой.

Точное измерение углового перемещения обеспечивается мгновенной фиксацией положения магнита с точностью до 0,35°, что равняется 1024 положениям на один оборот.

Рисунок 2.6 - Датчик AS5040

Таблица 2.6 – характеристики датчика AS5040

Тип датчика	Магнитное поле
Напряжение питания, В	3,0 - 5,5
Коммутируемый ток, мА	16
Порог срабатывания, мТ	45 - 75
Рабочая температура, градусы	- 40 – 125
Масса, г	0,65

Система управления МОТ и манипулятором.

В качестве полезной нагрузки для РУВП используется либо МОТ (2-х степенной + камера с трансфокатором), либо 4-ехзвенный манипулятор. МОТ представляет собой 2-ух степенной поворотный механизм, к которому присоединена камера M1360PL. Для управления вращения по азимуту используется сборка ДВП аналогичная движителю колеса. Для управления звеном наклона камеры используется сервомотор HS - 5245MG. В звеньях манипулятора кроме звена основания, используются сервомоторы, в основании для поворота по азимуту используется сборка, аналогичная движителю колеса. Для манипулятора для вращения корневого шарнира используется сервомотор HS - 5245MG, для вращения плеча HS - 5085MG, для схвата используется HS - 5045HB. Для управления всеми сервомоторами используется общая плата управления сервоприводами.

Рисунок 2.7 – Сервопривод

Характеристики сервоприводов, представленных на рисунке 2.7.

HiTec HS-5245 Metal Gear (MG) Digital Mini - цифровая шарикоподшипниковая мини сервомашинка с металлическими шестернями и высоким крутящим моментом. Подходит для средних и маленьких спортивных самолётов, планёров, вертолётов и автомобилей. Обладает возможностями кастомизированного программирования.

1. двойные шарикоподшипники;

2. поддерживает цифровое программирование;

3. потенциометр непрямого привода для увеличения срока работы;

4. небольшая "мёртвая зона" и устойчивый крутящий момент.

Таблица 2.3 – Характеристики HS-5245

Длина, мм	32,40
Ширина, мм	16,80
Высота, мм	30,80
Вес, г	32
Подшипники, шт.	2
Редуктор	металлический
Усилие (при напряжении 4,8 В), кг/см	4,4
Скорость (при напряжении 4,8 В), об/сек	1,11

Микро сервопривод HiTec HS-5085MG с универсальным разъёмом, подходящим ко всем современным приёмникам и проводным аксессуарам. Используется для маленьких самолётов, вертолётов, лодок и автомоделей.

1. металлические шестерни;

2. алюминиевый выводной вал;

3. ударозащищённый потенциометр.

Таблица 2.4 – Характеристики HS-5085MG

Длина, мм	29
Ширина, мм	13
Высота, мм	30
Вес, г	21
Подшипники, шт.	2
Редуктор	металлический
Усилие (при напряжении 4,8 В), кг/см	3,6
Скорость (при напряжении 4,8 В), об/сек	0,98

Цифровое микро сервопривод HiTec HS-5045HB с подшипником и шестернями из композитного материала. Благодаря полностью программируемым цифровым схемам HS-5045HB обеспечивается малое энергопотребление и долговечность. Сделанные из углеродистого сплава шестерни и шарикоподшипник увеличивает надежность взаимодействия с основным валом.

Таблица 2.5 – Характеристика HS-5045HB

Длина, мм	23,3
Ширина, мм	9,6
Высота, мм	22,3
Вес, г	8
Подшипники, шт.	1
Редуктор	карбонитовый
Усилие (при напряжении 4,8 В), кг/см	1
Скорость (при напряжении 4,8 В), об/с	1,38

Система передачи видеосигнала, команд оператора и телеметрии.

Для управления РУВП используется пульт, на котором представлена вся имеющаяся информация, необходимая оператору для действий. На борт РУВП передаются команды оператора, обратно на пульт передается видеосигнал с видеокамер и служебная информация с датчиков.

Для управления РУВП оператору передается видеосигнал с маршевых камер, используются две маршевые камеры VAM-610, представленные на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 – Маршевая камера VAM-610

Таблица 2.6 - Характеристика камеры VAM-610 (черно-белая)

Число элементов фотоприемника	640 х 480
Тип фотоприемника	CMOS 1/4"
Тип объектива	М12
Максимальное разрешение, ТВЛ	380
Максимальное отношение сигнал/шум, дБ	44
Чувствительность с/ш = 20 дБ, лк	0,07
Максимальная рабочая освещенность, люкс	100000
Габаритные размеры, мм	D 13,5 х 18
Потребляемый ток от источника + 3,6 … + 6,5 В , мА	не более 60
Размах видеосигнала на нагрузке 75 Ом, В	1,0

Камеры могут быть изготовлены как в стандарте PAL, так и NTSC. Возможен выпуск модификаций с питанием от стабилизированного источника + 3,3 В.

Для передачи видеосигнала с основной камеры M1360PL (рисунок 2.9) и маршевых камер используется приемо-передающее устройство на частоте 1.2 Гц, передача информации при прямой видимости до 400 м. Для передачи служебной информации и команд оператора используется приемо-передатчик телеметрической информации на 2,4 Гц.

Рисунок 2.9 – Камера с трансфокатором M1360PL

Таблица 2.7 - Характеристики камеры M1360PL

Телевизионный стандарт	PAL
Матрица	1/4'' Sony Super HAD CCD
Общее / эффективное количество пикселей, К	470/440
Чувствительность, люкс	1,0 цвет; 0,1 день/ночь; 0,01 DSS
Разрешение, TВЛ	480
Уровень выходного сигнала (75 Ом), В	1
Электронный затвор, сек	1/50-1/10 000
Объектив	12x оптический Zoom
Функция День/Ночь	Авто/ День/ Ночь (1 датчик)
Управление	Кнопки управления/Пульт
Размеры, мм	115х105х410
Питание	DC 9-15B, 700мА

Система управления импеллером.

Для работы импеллера используется безколлекторный двигатель, для обеспечения обратной связи используется датчик давления, который измеряет разряжение в области вакуумирования.

Для управления скоростью вращения используется плата управления, которая по данным с датчика давления регулирует скорость. Таким образом, реализуется регулятор, структурная схема которого представлена на рисунке 2.10

Плата управления

Двигатель импеллера

Z U w

Вакуумируемая область

Датчик давления

P

Рисунок 2.10 – ПИД регулятор скорости

Характеристики двигателя и регулятора скорости импеллера

Рисунок 2.11 - BLC-15C Brushless Motor и регулятор скорости

Двигатель имеет следующие особенности:

1. высокий крутящий момент при высоком уровне температур;

2. система охлаждения двигателя;

3. малый вес, при большой производительности;

4. вал двигателя поддерживается двойным шарикоподшипником.

Таблица 2.8 –Характеристика регулятора скорости

Питание NiCd/NiMH, В	7,2
Питание LiPo, В	7,4-11,1
Рабочий ток, А	15
Максимальная мощность на выходе, Вт / сек	4
Габариты, мм	28 х 25 х 10
Вес, г	15

Таблица 2.9 – Характеристики двигателя

Уровень напряжения	6-8 банок
Об/мин. на вольт электропитания, об/мин/В	5500
Диаметр, мм	22,5
Длина, мм	33,6
Диаметр вала, мм	2
Ток максимальной эффективности, А	2-9
Внутреннее сопротивление, мОм	86
Вес, г	57
Максимально допустимый ток	13А/60сек

Система навигации и положения.

Для определения расположения РУВП в пространстве на передней стороне шасси установлен дальномер, а для определения наклона используется датчик ADIS16209, данные с него используются для определения момента включения импеллера.

Дальномер GP2Y0D810 - самый маленький и самые быстрый датчик измерения расстояния. При частоте дискретизации почти 400 Гц и расстояние срабатывания до 10 см, этот датчик более привлекателен для использования, чем LED-фототранзисторная пара отражения с меньшим расстоянием срабатывания или чем медленный аналоговый датчик, с большим расстоянием срабатывания. На выходе датчика напряжение приводится к низкому уровню, когда обнаруживается объект, в противном случае на выходе высокий уровень сигнала.

Датчик GP2Y0D810 обнаруживает объекты на расстоянии от 2 до 10 см. Существует несколько миллиметровый гистерезис около максимального порога обнаружения, и нет гистерезиса на минимальном пороге обнаружения. Датчик имеет шаг в 1,5 мм.

Рисунок 2.12 – Дальномер

Таблица 2.10 - Характеристики дальномера

Рабочее напряжение, В	2.7 – 6.2
Средний потребляемый ток, мА	5
Диапазон измерения расстояния, см	2 - 10
Тип вывода	цифровой сигнал
Время срабатывания, мс	2,56
Габаритные размеры, мм	13,6 х 7 х 7,96
Вес, г	0,7

Рисунок 2.13 – Изменение характеристик датчика

Характеристики датчика положения.

ADIS16209, программируемый двухрежимный датчик наклона, предназначен для применения в промышленной аппаратуре, требующей измерения или реакции на изменение наклона, включая геодезические приборы, промышленные механические станки, системы стабилизации спутниковых антенн, слежение за безопасностью движения и регулировку автомобильных колес. Аналогичные по функциям креномеры имеют размер, как правило, более чем в 100 раз больший, чем у ADIS16209. Самый точный в отрасли MEMS (микроэлектромеханическая система) креномер, ADIS16209 имеет полностью компенсированный прямой выходной сигнал, зависящий от величины угла, с линейной ошибкой измерения наклона менее 0,1°, как минимум вдвое точнее, чем у аналогичных датчиков наклона. Это достигнуто благодаря использованию встроенного контроллера, который применяет записанные при производстве калибровочные коэффициенты для динамичного слежения за условиями работы системы и корректировки прямого цифрового выхода информации об угле наклона с учетом изменений напряжения, температуры, угла и других переменных.

Таблица 2.11 - Характеристики ADIS16209

Диапазон углов наклона с ошибкой менее 0,1°	+/-30°
Диапазон измерений	360°
Питание, В	3,0 - 3,6
Размеры, мм	9,2 x 9,2 x 3,9

Компенсированные, цифровые данные с датчика выдаются через порт стандартного SPI (последовательный периферийный интерфейс) интерфейса, который обеспечивает доступ к данным о наклоне (с разрешением 0,025), ускорении (с разрешением 0,244 mg), температуре и питающем напряжении. ADIS16209, кроме того, имеет 12-битный вход АЦП и выход ЦАП общего назначения, цифровые функции самокалибровки и конфигурируемое отслеживание условий работы включая выдачу предупреждений. Датчик работает от одного источника и может выдержать удар с ускорением до 3500g.

Система управления питанием.

Для питания РУВП используются сборки по 3 литий - полимерных аккумулятора на 3.7 В и 3 Ач. Для увеличения времени работы используется 2-3 сборки. Один такой аккумулятор позволяет работать РУВП в течение 15 мин., таким образом, общее время работы РУВП составляет 90 – 135 мин.

Для управления питанием используется плата контроля заряда и монитора емкости, так же есть выключатель питания и разъем подзарядки аккумуляторов.

Сравнительная характеристика аккумуляторов.

Для определения наиболее подходящего источника питания для РУВП используем отношение запаса энергии к массе аккумулятора.

Таблица 2.12 – Сравнительная характеристика аккумуляторов

Вид аккумулятора	Удельная энергоемкость
Литий – полимерный, Li - pol	100-125 Вт*ч/кг; 240-300 Вт*ч / л
Никель – кадмиевый, Ni - Cd	50-60 Вт*ч/кг; 120-150 Вт*ч / л
Никель – металлогидридный, NiMH	66-82 Вт*ч/кг; 160-200 Вт*ч / л

Литий - полимерный аккумулятор - это более совершенная конструкция литиево-ионного аккумулятора. В качестве электролита используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий - проводящего наполнителя. В зависимости от материала фактическая удельная энергоёмкость в 2 раза больше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов и в 1,5 раза больше, чем у никель-металлогидридных аккумуляторов. Однако в связи с быстрым развитием технологий, удельная энергоёмкость литиево-полимерных аккумуляторов в ближайшем будущем может достигнуть 150 Вт*ч/кг и 400 Вт*ч / л.

Среднее рабочее напряжение 3,7 В, что равнозначно напряжению трех никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni - Cd) или серии никель-металлогидридных аккумуляторов (Ni - MH).

Количество рабочих циклов более 500, при стандартных условиях (23±2℃). Поскольку литиево-полимерные аккумуляторы практически не содержат опасных металлов (например, кадмий, свинец или ртуть), что полностью соответствуют международному стандарту, таким образом, они являются безопасными для использования и не загрязняют окружающую среду.

На сегодняшний день литий - полимерные аккумуляторы широко применяются для мобильных телефонов, ноутбуков, ИБП, электроинструментов, цифровой аппаратуры, электромобилей / гибридных автомобилей с подзарядкой от электросети и т.д.

Рисунок 2.14 – Литиево-полимерный аккумулятор

Система центрального управления и внутреннего контроля.

Для централизации управления всем РУВП используется центральная плата, в качестве главного процессора используется микроконтроллер ATMega128, представленный на рисунке 2.15.

Общие характеристики ATMega128

8-разрядный AVR-микроконтроллер с внутрисистемно программируемой флэш-памятью емкостью 128 кбайт. Высокопроизводительный, маломощный 8-разрядный AVR-микроконтроллер.

Рисунок 2.15 –ATmega128

ATmega128 содержит следующие элементы: 128 кбайт внутрисистемно программируемой флэш-памяти с поддержкой чтения во время записи, 4 кбайт ЭСППЗУ, 4 кбайт статического ОЗУ, 53 линии универсального ввода-вывода, 32 универсальных рабочих регистра, счетчик реального времени (RTC), четыре гибких таймера-счетчика с режимами сравнения и ШИМ, 2 УСАПП, двухпроводной последовательный интерфейс, ориентированный на передачу байт, 8-канальный 10-разр. АЦП с опциональным дифференциальным входом с программируемым коэффициентом усиления, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт SPI, испытательный интерфейс JTAG совместимый со стандартом IEEE 1149.1, который также используется для доступа к встроенной системе отладке и для программирования, а также шесть программно выбираемых режимов уменьшения мощности.

На центральной плате РУВП также есть датчики температуры, напряжения и тока, и маскиратор видеосигнала.

Работа всего устройства основана на следующем принципе: команды принимаются приемо-передатчиком, предаются на центральную плату и обрабатываются. Все управляющие части соединены с центральной платой по интерфейсу RS485. Исходя из пришедшей команды от оператора, центральный процессор выдает команду на управляемые устройства.

На пульт оператора центральный процессор выдает служебную информацию, температура, давление, данные о выполнение команд и.т.д.

Характеристики интерфейса RS485

RS-485 (Recommended Standard 485) – стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Регламентирует электрические параметры полудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи типа «общая шина».

Стандарт приобрел большую популярность и стал основой для создания целого семейства промышленных сетей широко используемых в промышленной автоматизации.