Mskolc Egyetem Gépészmérnök és Informatka Kar Automatzálás és Infokommunkácós Intézet Tanszék Optka elmozdulás érzékelő llesztése STMF4 mkrovezérlőhöz és robot helyzetérzékelése Szakdolgozat Tervezésvezető: Dr. Vásárhely József Konzulens: Bartók Roland Ipar konzulens: Árva László Koba Máté Q15WWD 2016
Eredetség nylatkozat Alulírott Koba Máté (Neptun kód: Q15WWD ) a Mskolc Egyetem Gépészmérnök és Informatka Karának végzős Vllamosmérnök szakos hallgatója ezennel büntetőjog és fegyelm felelősségem tudatában nylatkozom és aláírásommal gazolom, hogy az Optka elmozdulás érzékelő llesztése STMF4 mkrovezérlőhöz és robot helyzetérzékelése című szakdolgozatom saját, önálló munkám; az abban hvatkozott szakrodalom felhasználása a forráskezelés szabály szernt történt. Tudomásul veszem, hogy plágumnak számít: - szószernt dézet közlése dézőjel és hvatkozás megjelölése nélkül; - tartalm dézet hvatkozás megjelölése nélkül; - más publkált gondolatanak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kjelentem, hogy a plágum fogalmát megsmertem, és tudomásul veszem, hogy plágum esetén a szakdolgozat vsszavonásra kerül. Mskolc, 2015.11.27. Koba Máté
1 Tartalomjegyzék 1 Tartalomjegyzék... 1 2 Bevezetés... 4 3 Optka szenzorok és működés elvük... 5 3.1 Alapfogalmak... 5 3.2 Érzékelők csoportosítása... 6 3.3 Optka érzékelők... 7 3.3.1 Pozícó érzékeny dóda (PSD)... 9 3.3.2 Tárgyreflexós két utas érzékelő... 9 3.3.3 Egy utas fénysorompó... 10 3.3.4 Két utas, tükörreflexós fénysorompó... 10 4 Robot helyzetének meghatározására enkóder segítségével... 12 4.1 Inkrementáls enkóder... 12 4.2 Abszolút enkóder... 14 4.3 Mért nem megfelelő ehhez a robothoz az enkóder használata?... 15 5 Az optka áramlás jelensége... 16 5.1 Az optka áramlás, ahogyan azt a megfgyelő látja... 16 5.2 Az optka áramlás, ahogyan azt a rovarok hasznosítják... 18 5.3 Az optka áramlás segítségével végezhető manőverek... 20 5.3.1 Lebegés... 20 5.3.2 Tereptárgyak kkerülése... 21 5.3.3 Sebesség szabályozása szűk helyeken... 21 5.4 Egyéb jellemzők... 22 6 Avago ADNS 3080 optka áramlásmérő szenzor... 23 6.1 Felhasználás területek... 23 6.2 Szerkezet felépítés... 24 6.3 Működés elv... 25 6.4 Érzékenység... 26 6.5 A szenzor működtetése... 27 6.5.1 Fontosabb regszterek... 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 megvlágítás bztosítása... 30 7.1.1 LED kválasztása... 30 7.1.2 Körlámpa tervezése... 31 7.2 Mérőállvány tervezése, elkészítése az optka kválasztáshoz... 33 7.2.1 Tervezés... 33 7.2.2 Megvalósítás... 34 7.3 Tesztelő áramkör tervezése... 34 7.3.1 Arduno UNO R3, ATmega 328P... 34 7.3.2 Az általam tervezett kapcsolás rajz... 35 7.3.3 BOM... 36 7.3.4 Az áramkör NYÁK-terve... 37 8 Optka kválasztása... 38 9 Robot elmozdulásának meghatározása... 40 9.1 Szenzor elhelyezés... 40 9.2 Elmozdulás meghatározás matematka formulája... 41 9.2.1 X rányú elmozdulás... 42 9.2.2 Y rányú elmozdulás... 43 9.2.3 Szögelfordulás... 44 9.3 Végképletek... 44 10 Szenzor llesztése kválasztott mkrovezérlőhöz... 46 10.1 STM32F4VCT6... 46 10.2 Program működése, folyamatábra... 47 11 Munkám során alkalmazott technológák... 49 11.1 CooCox CoIDE... 49 11.2 STM32CubeMX... 49 11.3 SoldWorks 2015... 49 11.4 Eagle v7.5 Demo verzó... 50 11.5 STM32F4 fejlesztőkártya... 50 11.6 Velleman K8200... 51 11.7 Fototechnkás 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 Mérnök Tudományok Versenyére épülő robot elmozdulásának meghatározása. A verseny mnden évben máshol kerül megrendezésre, a X. versenynek egyetemünk ad otthont 2016 áprlsában. A versenyen egy távrányítású vagy autonóm működésű robottal kell egy épített pályán manőverezn. A pályán elhelyezett oszlopokból mnél többet kell elfoglaln úgy, hogy egy jeladót helyez az oszlop belsejébe egy robotkar segítségével. Az általunk épített robot úgynevezett holonomkus mozgásra képes, vagys az előre-hátra haladás és a kanyarodás mellett forgásra s képes, akár a saját tengelye, akár valamlyen görbe mentén. A robotot úgy alakítottuk k, hogy 3db, egymástól 120 -ra elhelyezett omndrekconáls kerék bztosítja a gördülést. Ennek a keréknek a palástján görgők helyezkednek el, így az oldalrányú elmozdulást s tesz lehetővé. A holonomkus mozgás és az omndrekconáls kerekek matt a kerekek tengelyén elhelyezett enkóderek elmozdulás meghatározása pontatlan. Továbbá a mozgás során az enkóderek által szolgáltatott elmozdulás adatok nncsenek szoros összefüggésben a robot tényleges helyzetével, mvel a kerekeken mérnek elfordulást. Az enkóderek pontatlansága matt optka áramlásmérő szenzorokat használok a robot helyzetének meghatározásához.. Ezzel a szenzorral történő helyzet meghatározásnál közvetlenül a robot és a talaj relatív elmozdulását vzsgáljuk, tehát a motorok forgás sebessége, a kerekek esetleges kpörgése, megcsúszása semmlyen mértékben sem befolyásolja a mért adatokat. Szakdolgozatomban egy lyen szenzorral végzek méréseket, és kdolgozok egy módszert arra, hogy a szenzorral meghatározható legyen a robot elmozdulása és helyzete a pályán. 4
3 Optka szenzorok és működés elvük 3.1 Alapfogalmak Szenzor [1]: Olyan eszköz, amely egy fzka mennységet (pl. hőmérséklet, távolság, nyomás) a vezérlés- és szabályozástechnkában jobban felhasználható, jobban kértékelhető jellé alakít át. Szenzorelem [1]: A szenzornak az az elem része, amely lényegében a fzka jellemzőt érzékel, de önmagában az rányítástechnkában nem alkalmazható, még tovább elemekkel kell kegészíten. (jelátalakítás, jelfeldolgozás, csatlakozók, llesztők, ház, rögzítő elemek, stb.) Szenzorrendszer [1]: Több hasonló, vagy különböző szenzor, vagy szenzorelem, amelyek közösen oldanak meg egy feladatot. Multszenzorrendszer [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 felsmerése érdekében.) Intellgens szenzorok [1]: Analóg fzka változókat mérnek, mnt pl.: nyomás, hőmérséklet vagy sebesség, dgtalzálják a mért adatokat, és a jeleket megfelelően llesztve - továbbítják az nformácó feldolgozóhoz. Az 1. ábrán egy lyen szenzor blokkvázlata látható. 5
1. ábra Intellgens szenzor blokkvázlata [1] 3.2 Érzékelők csoportosítása Bnárs szenzorok [2]: helyzetérzékelők, közelítéskapcsolók, nyomáskapcsolók, kapcsoló hőmérők, stb. Analóg szenzorok [2]: erő és nyomatékmérők, áramlásmérők, hőmérsékletmérők, útmérők, hosszmérők, elfordulás érzékelők, optka mennységek érzékelő, akusztka mennységek érzékelő, stb. Szenzorok csoportosítás tpkus kmenet jelek típusa szernt [2]: Bnárs: - közelítéskapcsoló, - nyomáskapcsoló, - szntjelző kapcsoló, stb. 6
Impulzuskövető: - nkrementáló hossz lletve szög(elfordulás) mérő szenzorok. Analóg: - Szenzorelemek a rendszerbe ntegrált erősítő és jelátalakító elektronka nélkül. Közvetlenül nem felhasználható, ksértékű jelet adnak. (mv tartományban) o nyúlásmérő bélyeg, o Pt-100 hőellenállás, o termoelem, hőelem, o Hall generátor, o térlemez, stb. - Szenzorok a rendszerbe ntegrált erősítő és jelátalakító elektronkával. Közvetlenül felhasználható jelet adnak. Szokásos tartományok: 0 10 V 0 20 ma 1 5 V 4 20 ma -5 +5 V -10 +10 ma Szabványos csatoló: - Szabványos jelkmenet csatlakozással ellátott szenzorrendszerek o RS-232, o RS-422, o profbusz. 3.3 Optka érzékelők Az optka érzékelők optka és/vagy elektronka eszközök felhasználásával jelzk a céltárgy jelenlétét. Fényforrást tartalmaznak, am általában LED. Ezek előnye a ks méret, hosszú élettartam és a könnyen modulálható jel. A fény érzékelésére fototranzsztor vagy fotodóda használatos. Az optka érzékelők fényforrása általában vörös fényű, de használatos nfra tartományban sugárzó fényforrás s. LED alapanyaga általában GaAlAs. A vörös fény azért elterjedtebb mert a szenzor beállítása könnyebb így, mvel látjuk a megvlágított területet. Infravörös fényforrás akkor alkalmazandó, ha nagy fényerősségre van szükség és/vagy hosszabb távon kell érzékeln, továbbá nfravörös fény használata esetén a környezet fények zavaró hatása mérsékeltebb, mnt látható fény esetén. Tovább zavarcsökkentés céljából a szenzor jelét modulálják. A 7
vevő modulácója sznkronzálva van az adó modulácójához, kvétel egyutú fénykapu. Tovább javulás érhető el fényszűrők alkalmazásánál (nfra érzékelők esetén). Az optoelektronka szenzorok általában tartalmaznak belső jelkondconáló egységet és a mkrovezérlő felé az elektromos jelet egy előerősítőn keresztül adják, am azt így közvetlenül feldolgozhatja [1]. Egy lyen érzékelő blokkvázlata látható a 2. ábrán. 2. ábra Optoelektronka érzékelő felépítése [1] Adó elemek [1]: LED, IRED, félvezető lézerdódák előnye: o LED-hez képest jelentősen ksebb dvergenca, o ksebb fényfolt átmérő, o ks tárgyak messzebbről érzékelhetőek. Vevő elemek [1]: fotodódák (PN, PIN), foto tranzsztorok, pozícó érzékeny dódák (PSD). 8
3.3.1 Pozícó érzékeny dóda (PSD) A PSD szenzor egy specáls fotodóda, melynek érzékelő felülete szalagszerűen van kalakítva. A szalag két oldalán két kontaktus, az alsó oldalon pedg egy darab közös kontaktus található. A fényérzékeny felületet pontszerűen besugározva I1 és I2 áram ndul meg, és ezen részáramok nagyságának aránya alapján határozható meg a beeső fénypont helyzete az érzékelő felületen [1]. A 3. ábrán látható a PSD működés elve. 3. ábra PSD működésének ábrázolása [1] 3.3.2 Tárgyreflexós két utas érzékelő A reflexós szenzor a céltárgyról vsszaverődő fény ntenztása alapján működk, mégpedg úgy, hogy a szenzor kmenete csak egy bzonyos ntenztás fölött lesz aktív állapotú [1]. Jellemzők [1]: vsszaverődő fényt értékel k, adó-vevő közös házban, nem kell külön reflektor, átlátszó tárgyakat nehezen lehet detektáln, fényt vsszaverő tárgyak könnyen detektálhatóak, érzékelés tartomány általában 500mm-g terjed. 9
Ezekkel az érzékelők azt jelzk vssza, hogy egy adott tárgy az érzékelő kapcsolás 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 kmenet akkor aktív, ha az adónak és vevőnek rálátása van egymásra, vagys a fény akadálytalanul eljut adótól a vevőg, a kmenet aktvtása lehet fordított s [1]. Jellemzők [1]: külön egységek, adónak és vevőnek egymásra rá kell látna, rossz optka körülmények között s jól alkalmazható, nagy smétlés pontosság, nagy távolságokra s alkalmazható, lézeres adó esetén akár 100m s lehet a szenzortávolság. Hátrányok [1]: két különálló egységet kell szereln, kábelezn, optka tengelyeket pontosan kell beállítan, átlátszó anyagoknál rossz alkalmazhatóság. 3.3.4 Két utas, tükörreflexós fénysorompó Adó és a vevő egy házban helyezkedk el, a fénynyaláb egy przmán keresztül érkezk a vevőbe. Előnyök [1]: adó és vevő egy házban, LED, vagy lézerdódás kvtel, beesés szög akár 40 -al s eltérhet az optka tengelytől, csekély szerelés, beállítás gény. 10
Hátrányok [1]: kettős fényút, reflexós veszteség, érzékeny az környezet optka vszonyara, nehezen smerhetők fel az átlátszó tárgyakat, tükröződő tárgyak hams kapcsolást eredményezhetnek. Az optka szenzorok nagy része az alapján ad adatokat, hogy az érzékelőbe jut-e fény vagy sem, így csak a fény jelenlétéből lehet következtetn. Elmozdulás érzékelésénél ez nem elegendő nformácó, szükség van még egy adatra, amnek segítségével meghatározható, hogy mennyt ment egy bzonyos rányba a szerkezet, amnek az út nformácóra szükség van. Olyan érzékelők például az enkóderek, melyek segítségével megadható, hogy dőegység alatt mlyen mértékű szögelfordulás fgyelhető meg. Az enkóderek működésének tsztázásához először az optka szenzorok működését kellett tanulmányozn. 11
4 Robot helyzetének meghatározására enkóder segítségével Helyzet meghatározáshoz gyakran használnak enkódert, am a kerék tengelyén elhelyezett optka jeladóból és egy vele szembe helyezett tárcsából áll. Útjeladók fajtá a jeladó által feldolgozott jel fzka jellemző alapján: optka nduktív jeladós. Az enkóder lényegében a hajtott tengely elfordulását mér és az elfordulás nagyságával arányosan valamlyen elektromos jelet szolgáltat [3]. Enkóderek csoportosítása a működésük alapján: nkrementáls abszolút. 4.1 Inkrementáls enkóder Az nkrementáls jeladó olyan tárcsát tartalmaz, melynek rovátká egymástól egyenlő távolságra helyezkednek el. A rovátkák helyzetét két db optokapuval érzékelk. A két kapu úgy van elhelyezve, hogy egymáshoz képest 90 fokkal eltolt fázsú jelet adjanak a tárcsa forgásakor. Ez a két jel az "A" és a "B" fázs. Az enkóderbe épített elektronka gondoskodk annak tápellátásáról lletve a szenzor jelét konvertálja szabványos feszültség szntekre. Ez leggyakrabban TTL, nytott kollektoros, esetleg 24V-os jel, bzonyos esetekben a jelek nverze s k van vezetve. Az nkrementáls jeladókban van egy harmadk optokapu s, am a tárcsa egy olyan részén vlágít át, ahol csak egy rovátka van. Így ez a jel a tengely teljes körülfordulásakor ad egyetlen egy mpulzust. Neve "Z" vagy "Index". Az A és B jel 50%-os ktöltés tényezőjű négyszögjel, amk között 90 -os fázskülönbség van. A két jel segítségével meghatározható a forgás sebesség mellett a forgás ránya s [3]. Az nkrementáls enkóder egy lehetséges elrendezését ábrázolja a 4. ábra. 12
4. ábra Inkrementáls enkóder [3] Ezt a fajta jeladót azért nkrementáls jeladónak hívják, mert a tengely elfordulásával arányos jel a tengely helyzetéhez relatív, vagys az álló enkóder abszolút szöghelyzetéről maga az enkóder nem ad nformácót. A tengely tényleges helyzetét a vezérlő állapítja meg [3]. Inkrementáls jeladó jelének feldolgozása [3]: egy logka megállapítja a jeladók jele alapján a forgásrányt, A vagy B jelet egy kétrányú számláló bemenetére vezetk, a számlálás rányát a forgásrányt megállapító logka vezérl, ha a tengely előre forog, az mpulzusok számával a számláló tartalma nő, ha hátrafele forog, akkor pedg csökken. A számlálót nem a jelek léptetk, hanem egy bektatott EXOR kapu kmenete, am összehasonlítja az A és B jelét [3]. A jeladóból kapott jelek dődagramját az 5. ábra mutatja. 5. ábra Útjeladó által szolgáltatott jelek [3] 13
Az dődagramból látható, hogy a kapu kmenet jele kétszeres frekvencájú, mnt a két enkóder jele, vagys a tárcsán elhelyezett rovátkák által meghatározott felbontást megduplázza. Bzonyos alkalmazásoknál nem csak a fel vagy lefutó éleknél léptetk a számlálót, hanem mndegyk szntátmenetnél, így megnégyszerezve a felbontást. Az lyen enkóderek alkalmazásakor mndg kell egy referenca pont, mvel a számláló tartalma nncs kapcsolatban az enkóderrel felszerelt tengely abszolút szöghelyzetével. Kkapcsolás után az enkóderek adata elvesznek, így ha a berendezést kkapcsolt állapotában mozgatják, az újból bekapcsoláskor az nem tudja, hogy az előző helyzetéhez képest merre és mekkora mértékben mozdult el. A referenca pont a gép encoder-el mért mozgó részének egy olyan abszolút pozícója, amt egy külön érzékelő érzékel [3]. 4.2 Abszolút enkóder Az abszolút enkóder s tárcsát és optka jeladókat használ a mozgás meghatározására, de több, különböző átmérőn különböző méretű rovátkák helyezkednek el, általában kívül a legnagyobb felbontású és befelé haladva, pedg csökken a felbontás [3]. A 6. ábrán egy abszolút enkóder kódtárcsája látható. 6. ábra Kódtárcsa [3] A 6. ábrán az látszk, hogy az abszolút enkóder rovátká bnársak, a külső gyűrűtől befelé haladva egyre nagyobb helyértéket képeznek. Az ábrán látható kódtárcsa 14
10 btes, vagys a külső gyűrűn 2 10 -en db rovátka található [3]. A 7. ábrán látható az abszolút útjeladó szabványos elrendezése. 7. ábra Abszolút enkóder elrendezése [3] Az enkóder kmenete a tárcsa által előállított 10 btes kódot szolgáltatja valamlyen formában a feldolgozó mkrovezérlő felé. Ez lehet TTL jel, vagy valamlyen kommunkácós csatornán kódolt adat. Alapvető különbség az abszolút és az nkrementáls útjeladó között, hogy az abszolút szöghelyzet jeladó a tengely szöghelyzetéhez képest abszolút módon összefüggő jelet szolgáltat. Másk különbség, hogy a szöghelyzettel arányos pozícóértéket az abszolút enkóder közvetlenül szolgáltatja, nncs szükség számlálókra. A működés elv matt az abszolút jeladók felépítése bonyolultabb, ematt drágábbak s. Léteznek olyan abszolút jeladók s, amelyek nem csak egyetlen körbefordulást tudnak megkülönböztetn, hanem több fordulatot s [3]. 4.3 Mért nem megfelelő ehhez a robothoz az enkóder használata? Az enkóderek által szolgáltatott adatok nncsenek közvetlen összefüggésben a robot elmozdulásával, mvel ezt a kerekek tengelyenek forgásából számítja. Az enkóderek adataból vssza kell számoln a megtett utat, de az nem derül k, hogy a robot valóban a nek meghatározott pályán mozgott-e. A robot mozgása során a kerekek megcsúszhatnak, nek mehet egy másk robot, beragadhat valahova, de még a kerekek képesek továbbra s forogn, ezek matt az enkóderek pontatlan adatokat szolgáltatnak a vezérlő rendszernek és az hbás működést okoz. Az enkóderek hbának kküszöbölésére egy olyan módszert kell alkalmazn, am független a robot hajtásától. 15
5 Az optka áramlás jelensége Az optka áramlás egy olyan vzuáls jelenség, amt a mndennapok során tapasztalunk. Az optka áramlás lényegében az a vzuáls mozgás, amt a környezetünkben való mozgásunk során érzékelünk. Tegyük fel, hogy egy autóban, vonaton vagy lényegében bármlyen mozgó járművön vagyunk és knézve az ablakon azt látjuk, hogy a távolban lévő fák, épületek, talaj hátrafele mozog. Ez a mozgás az optka áramlás. Ebből a mozgásból az s származtatható, hogy mlyen távol vagyunk azokhoz az objektumokhoz képest, amket mozogn látunk. A távol dolgok, mnt például a felhők, hegyek mozgása olyan lassúnak tűnk, hogy úgy látjuk, mntha nem s mozdulnának meg. A közelebb objektumok, mnt például a fák, épületek úgy tűnnek, mntha hátrafele haladnának és a közelebb tárgyak mozgása gyorsabbnak tűnk, mnt a távolabbaké. A nagyon közel dolgok mozgása, mnt a fű vagy az út ment táblák olyan gyors, hogy azok képe elmosódk. Az optka áramlás nagysága és az objektum megfgyelőhöz képest távolsága között konkrét matematka összefüggések vannak. Ha megduplázzuk a haladás sebességet, akkor az optka áramlás s duplázódk. Ha kétszer olyan közel helyezünk el egy tárgyat a megfgyelőhöz, mnt korábban, akkor az optka áramlás szntén a kétszeresére nő az előző értékhez képest. Ugyanakkor az optka áramlás függ a megfgyelő haladás rányának vektora és a megfgyelt objektum haladás rányának vektora által bezárt szögtől. Feltételezve azt, hogy egyenes vonalban haladunk, az optka áramlás mértéke akkor lesz a legnagyobb, ha a megfgyelt objektum a megfgyelő haladás rányához képest 90 -os szöget zár be. Amennyben a megfgyelt tárgy pont a megfgyelővel szemben van, akkor nncs optka áramlás, úgy tűnk, hogy a tárgy nem mozdul el. Azonban, mvel a tárgy éle nem pont a megfgyelő előtt vannak, azok mozogn látszanak és az objektum egyre nagyobbnak tűnk, ahogy közeledk felé a megfgyelő [4]. 5.1 Az optka áramlás, ahogyan azt a megfgyelő látja Az optka áramlás kalakulását egy repülő tárgy szemszögéből a 8. ábra szemléltet. A kék nylak szemléltetk azt az optka áramlást, amt a repülőn elhelyezett kamera vagy annak egy utasa lát. Lefele nézve egy erős áramlás mnta fgyelhető meg, amt a talaj és az azon elhelyezkedő tereptárgyak okoznak. 16
8. ábra Optka áramlás egy repülő szempontjából [4] Az optka áramlás pontosan a repülő alatt a leggyorsabb. Az optka áramlás főleg ott tűnk gyorsabbnak, ahol a magasabb tárgyak kemelkednek a talaj síkjából. Ha egy olyan szenzort helyeznénk el az adott repülőn, am az optka áramlásra reagál, az felsmerné az optka áramlás mntáját és adataból egyértelműen meghatározható lenne a tereptárgy jelenléte. Következtetésképp megállapíthatjuk, hogy létezk egy másfajta optka áramlás mnta, amely a megfgyelőhöz közeledő tárgyak következtében jön létre. A középen lévő kék kör szemléltet az áramlás kterjedésének fókuszát. Ez a fókuszpont mutatja a fajlagos haladás rányt. Az előzőekben kderült, hogy egyenes vonalú mozgás esetén az optka áramlás értéke zérus a haladás rány középpontjában. A képen látható repülő szemszögéből a tőle jobba található szklás részen haladva nagyobb az optka áramlás mértéke, ez mutatja azt, hogy ha tovább folytatja az útját a jobb oldalon veszélyesen közel kerülhet a szklafalhoz. A repülő alatt az optka áramlás mérsékeltebb. A repülő fölött, mvel a látómezőben az égen kívül más objektum nncs, ott az optka áramlás látszólag szntén 0. Mvel mozgását folytatva a repülő veszélyesen közel kerülhet a tőle jobbra található szklákhoz, az áramlásmérő szenzor adata alapján a vezérlő rendszer felülírhatja a haladás rányt, kkerülve a veszélyzónát [4]. 17
5.2 Az optka áramlás, ahogyan azt a rovarok hasznosítják Az optka áramlás mntákat bzonyíthatóan a rovarok hasznosítják, a szenzor mondhatn a rovarok látását vesz alapul a működéséhez. A 9. ábrán egy sztakötő és annak látómezeje található felülnézetből [4]. 9. ábra Optka áramlás egy sztakötővel szemléltetve [4] Az ábra két különböző mozgás esetén szemléltet a rovar által érzékelt áramlás mntát. A baloldalon az az eset látható, amkor egyenes vonalban előre halad a rovar. Ebben az esetben az optka áramlás elölről hátrafele mutat úgy, hogy legnagyobb értéke jobb és bal oldalon, legksebb pedg elöl és hátul mérhető. Az ábra jobb oldalán az az eset kerül szemléltetésre, amkor a rovar a tengelye körül egyhelyben fordul el az óramutató járásával megegyező rányban. Ebben az esetben az optka áramlás ránya az óramutató járásával ellenkező rány, nagysága pedg mndenhol állandó. Amennyben a sztakötő egy görbe mentén haladna, az optka áramlás ezen mnták kombnácót venné fel. Az ábra segítségével könnyen belátható, hogy az optka áramlás nem csak tereptárgyak érzékelésére, hanem egy ktüntetett objektum mozgásának meghatározására s felhasználható. A 10. és 11. ábra ugyanazt a két esetet mutatja be, mnt a 9. ábra, anny különbséggel, hogy a sztakötő szemszögéből lehet látn azt oly módon, hogy a 360 -os látómező a síkra van vetítve [4]. 18
10. ábra Optka áramlás mnta előre haladás esetén [4] A 10. ábrán látható a kterített áramlás mnta előre haladás esetén. Egyenes, előre haladó mozgás esetén az áramlás mnta a haladás rány tengelyének mentén zérus, a középponttól hátrafele haladva a vektorok széttartóak, hátul pedg összezárnak [4]. 11. ábra Optka áramlás mnta jobbra oldalazás esetén [4] A 11. ábrán látható az optka áramlás mntája abban az esetben, amkor a sztakötő jobbra oldalaz. Forgás és oldalazás esetén az áramlás mnta ellenkező rányú az elmozdulással, mközben a forgástengely mentén az áramlás zérus [4]. 19
5.3 Az optka áramlás segítségével végezhető manőverek A rovarok látásának tanulmányozásával és azzal, hogy hogyan tájékozódnak az optka áramlás segítségével, rengeteg tudományos kutatás foglalkozk [4]. 5.3.1 Lebegés A lebegés során észlelhető optka áramlás mntát szemléltet a 12. ábra [4]. 12. ábra Optka áramlás mnta lebegés esetén [4] Lebegés során arra törekedk a rovar, hogy az optka áramlást a látóterében mndenhol 0-n tartsa, ezáltal például falevelek között tud lebegn oly módon, hogy a falevelek mozgásával együtt mozog. Ez a mozgás a külső szemlélőnek úgy tűnhet, hogy a megfgyelt rovar teljes sznkronban mozog a falevelekkel [4]. 20
5.3.2 Tereptárgyak kkerülése A különböző objektumok elkerülése során megfgyelt optka áramlás mntát a 13. ábra szemléltet. 13. ábra Optka áramlás mnta tárgyak kkerülése esetén [4] Tárgyak elkerülésénél a rovar amnt érzékel, hogy az optka áramlás valamely rányban elkezdett nőn, a veszélyt elhárítandó olyan rányba gyeksz tovább manőverezn ahol a legksebb az optka áramlás mértéke [4]. 5.3.3 Sebesség szabályozása szűk helyeken A sebességszabályozásnál fellépő mntát a 14. ábra szemléltet [4]. 14. ábra Áramlás mnta szűk helyeken történő manőverezés során [4] 21
A sebességszabályozást megfgyelések alapján a rovarok olyan esetekben alkalmazzák, amkor egy adott sebességgel haladva szűk helyre érnek, körülöttük az áramlás felgyorsul és egy olyan, alacsonyabb sebességgel folytatják útjukat, amely mellett bztonságosan tudnak manőverezn és a környezet változásara megfelelő dőn belül tudnak reagáln [4]. 5.4 Egyéb jellemzők Az optka áramlás jelenségét felhasználó szenzorok használatánál a következő tulajdonságokat kell fgyelembe venn, amennyben a szenzor nem szűr ezeket [4]: Forgás hbája Az optka áramlás létrejöhet forgás és transzlácó esetén s. Ha a forgást nem kell fgyelembe venn, mert elronthatja a mérés eredményeket, akkor a forgásból következő adatokat valamlyen módon szűrn kell. alacsony textúra Elterjedt szóbeszéd az a modellezők körében, hogy az alacsony textúrával rendelkező felületeken nem mérhető optka áramlás, mert a szenzor nem talál összehasonlítás alapot jelentő alakzatokat, éleket, így hbás mérést végez. Valójában bármlyen felületen találhatók olyan mnták, amelyeket egy optka áramlásmérő szenzor képes hasznosítan, ez csupán feldolgozóegységtől függ. mechanka zaj jtter Egy képfeldolgozó rendszert egy mozgó robotra szerelve a fellépő mechanka behatások úgy, mnt rázkódás, lökések befolyásolhatják a mérés adatokat, ezeket szntén különböző jelfeldolgozás algortmusok használatával k lehet szűrn. fény szntek Szntén közhedelem, hogy az optka áramlás érzékeléséhez nagyon erős megvlágítás szükséges. Tényleg léteznek nagyon nagy fényerősséget génylő szenzorok, de a megvlágítás erőssége szntén az érzékelő típusától függ. Ez a mítosz arra vezethető vssza, hogy a számítógépes egereknek s szüksége van egy LED-re a működéshez, amt csupán néhány mm-re helyez el a gyártó a szenzortól és léteznek továbbá olyan, kamerákon alapuló eljárások s ahol több száz LUX az alkalmazott megvlágítás fényerőssége. A rovarok s képesek rendkívül rossz fényvszonyok mellett s tájékozódn, míg a forgalomban lévő szenzorok fényérzékenysége s eltérő. 22
6 Avago ADNS 3080 optka áramlásmérő szenzor Azért esett a választásom az optka áramlásmérővel való elmozdulás mérésre, mert az általunk épített robot omndrekconáls mozgásából adódóan a kerekek forgástengelyére helyezett enkóderek által az elmozdulást csak ndrekt módon lehet meghatározn. A robot kerekenek forgásából nem egyértelmű a haladás rány, a robot nem feltétlenül abban az rányban halad amerre az egyes kerekek forognak. A verseny során a robotot másk gép meglökhet, ezáltal az oly módon módosítja pályáját, amt enkóderrel nem lehet megállapítan. Másk megoldás lehet még a GPS adatokon, mágnesesség érzékelőn, MEMS szenzor által mért elmozdulás érzékelőn és ezen szenzoroknak a fúzóján alapuló megoldás s de ez a megoldás sokkal hely és költséggényesebb, mnt az optka elmozdulás mérő alkalmazása. Továbbá az lyen szenzor által szolgáltatott adatokat sokkal kevesebb átszámítással fel lehet dolgozn, ezáltal közvetlenebb nformácókat ad a robot pontos helyzetéről. 6.1 Felhasználás területek Avago ADNS 3080 főbb alkalmazása [5]: számítógépes egerek trackball ntegrált bevtel eszközök. Ezt a szenzort a fentebb felsorolt eszközökben pozícóérzékelésre használják, felbontása, a vele mérhető sebesség alkalmassá tesz arra s, hogy olyan területen használhassák ahol a nagy sebesség és a pontosság s számít például olyan számítógépes egerekben ahol fontos, hogy ks kézmozdulattal gyorsan, nagy távolságot tegyen meg a kurzor. A 15. ábrán látható a nyomtatott áramkör 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 optka tulajdonságokkal rendelkező fényvezető keretre szerelve, de a szenzort lehet kapn NYÁK-ra szerelt kvtelben s, ezáltal lehetőség van a szenzorra különböző optka tulajdonságú objektívek felszerelésére s. 6.2 Szerkezet felépítés A szenzor öt fő részből áll, melyeket a 16. ábra mutatja [5]: soros port vezérlő képfeldolgozó processzor oszcllátor feszültség szabályozó. 16. ábra ADNS 3080 tömbvázlata [5] A tokozás lábkosztását a 17. ábra tartalmazza [5]: 1) eszköz kválasztás 2) soros kommunkácó kmenet (mester bemenet/szolga kmenet) 3) soros órajel bemenet 4) soros adat bemenet (mester kmenet/szolga bemenet) 5) LED vezérlés 6) RESET 7) szenzor kkapcsolás (alacsony jelszntre érzékeny) 8) oszcllátor kmenet 24
9) oszcllátor testpont 10) oszcllátor bemenet 11) nem bekötött 12) VDD3 13) referenca kondenzátor 14) referenca kondenzátor 15) tápfeszültség 16) testpont 17) tápfeszültség 18) nem bekötött 19) testpont 20) nem bekötött. 17. ábra ADNS 3080 lábkosztás [5] A 17. ábrából látható, hogy a szenzor nem szabványos DIL tokozással készül. 6.3 Működés elv Az ADNS-3080 Optka Navgácós Technológán alapul, am pozícóbel változásokat mér oly módon, hogy optkalag összehasonlít több egymást követő felület képet (keretet) és matematkalag megállapítja a mozgás rányát és nagyságát [5]. 25
Az optka áramlásmérő szenzorok olyan ntellgens szenzorok, amelyek a vzsgált felület textúrájának feldolgozásával határozzák meg a szenzor és a felület között relatív elmozdulást, a vzsgát felület x, y síkjában. A szenzor kamerája bzonyos dőközönként képeket készít a vzsgált felületről és ezeket a képeket összehasonlítja a készítés sorrendjében. A képek készítése között dő és a két kép textúrájának adata alapján a szenzor meg tudja határozn a két kép készítése között elmozdulás mértékét. Tovább matematka műveletek segítségével ezekből az adatokból meghatározható a pllanatny sebesség, kndulás ponthoz képest a tárgy jelenleg tartózkodás helye [4]. A szenzor nfrastruktúrája három fő részből áll [5]: Kép Összehasonlító Rendszer (Image Acquston System - IAS) Dgtáls Jelfeldolgozó Processzor (Dgtal Sgnal Processor - DSP) négyvezetékes soros port (SPI). IAS feladata összehasonlítan mkroszkopkus felület képeket. A szenzorba a megvlágított felületről érkező fény egy objektíven keresztül érkezk be. A DSP feldolgozza a kapott képet és meghatározza az elmozdulás rányát és mértékét, azután pedg kszámolja az x és y rányban történő relatív elmozdulás értékeket [5]. 6.4 Érzékenység A szenzor nem mutat ugyanolyan érzékenység szntet a fény teljes spektrumán. A fény hullámhosszának és az érzékelő relatív válaszadás dejének függvényében felvett érzékenység görbe a 18. ábrán látható. 18. ábra Szenzor érzékenység [5] 26
A 18. ábra grafkonjából látható, hogy az ANDS 3080 a 600-700nm-es tartományban a legérzékenyebb. A szenzor a következő maxmáls értékekg tud mérést végezn [5]: sebesség 40nch/sec gyorsulás 15g-g. 6.5 A szenzor működtetése A szenzor regszterenek elérésével lehet adatot olvasn a szenzorból és konfguráln azt. A regsztereket sznkron-soros kommunkácóval (SPI) lehet elérn. A konfgurálás során be lehet állítan a felbontás értéket (alapbeállítás: 400 CPI), azt, hogy megvlágító LED-eket a szenzor folyamatos üzemben vezérelje (alapbeállítás), vagy pedg csak akkor adjon vezérlő mpulzust, amkor mntavétel képet készít [5]. 6.5.1 Fontosabb regszterek A gyártó a szenzorhoz mellékel a teljes regsztertérképet, én ezek közül néhány fontosabb regsztert emelek k. A szenzor főbb regsztere [5]: Delta_X (0x03) - A regszter egy 8 btes, 2-es komplemens számot tartalmaz. A regszter értéke az x tengelyen történő poztív, lletve a negatív rányú elmozdulást különböztet meg oly módon, hogy 0-127 között a poztív, 128-255 pedg a negatív rányt reprezentálja. A regszter a két kolvasás között elmozdulást adja vssza, abszolút értéke a felbontástól függ. Olvasás után a regszter értéke nullázódk. Delta_Y (0x04) - A regszter egy 8 btes, 2-es komplemens számot tartalmaz. A regszter értéke az y tengelyen történő poztív, lletve a negatív rányú elmozdulást különböztet meg oly módon, hogy 0-127 között a poztív, 128-255 pedg a negatív rányt reprezentálja. A regszter a két kolvasás között elmozdulást adja vssza, abszolút értéke a felbontástól függ. Olvasás után a regszter értéke nullázódk. 27
SQUAL (0x05) - Egy 10 btes előjel nélkül egész szám felső 8 btjét adja vssza. A regszter maxmáls értéke 169. A regszter segítségével meg lehet határozn az optka optmáls távolságát a vzsgálandó felülettől, ugyans a regszter akkor adja a legnagyobb értéket, amkor a szenzor a vzsgálandó felülettől optmáls távolságra helyezkedk el. Az értéke 0, ha semmlyen felület nncs az érzékelő alatt, nem smer fel textúrát. Confguraton-bts (0x0a) - A regszter írásakor a szenzor gyár konfgurácójától eltérően állítható be. A regszter 1 byte-n adathalmazban tartalmazza a beállításokat. - Ha a gyár beállításoktól eltérően akarjuk konfguráln a szenzort, a tápfeszültség rákapcsolása és a szenzor resetelése után ezt a regsztert kell legelőször megcímezn. - A regszter MSB-vel kezdődk, 2. btjével állítható be a szenzor felbontása, 3. bt 1-be állításával rendszerteszt ndítható, 4. bt-el állítható a felbontás, a több bt értéke foglalt. Moton_Burst (0x50) - A Moton_Burst regszter nagysebességű hozzáférést tesz lehetővé a Moton, Delta_X, Delta_Y, SQUAL, Shutter_Upper, Shutter_Lower és a Maxmum_Pxels regszterekhez. - Ebben a módban csökkenthetjük a sorosport tranzakcók dejét. - A regszter a Burst Mode -ot aktválja, am egy olyan sorosport művelet mód, am úgy küld k a fentebb felsorolt adatokat, hogy azoknak a regszteret nem kell egymás után a mkrokontrollernek megcímezne, és megvárna a címzések között előre defnált dőt, hanem csak a Moton_Burst regsztert, és a címzés után a sorosporton megjelennek az adatok a defnált sorrendben. 28
6.5.2 A gyártó által használt elrendezés A gyártó által ajánlott, ugyanakkor az optka egerekben használatos szenzor elrendezés látható a 19. ábrán [5]. 19. ábra Szenzor elrendezés [5] A 19. ábrából látható, hogy az optka egerek a szenzort, egy jó optka tulajdonságokkal rendelkező anyagból készült fényvezető kerettel szerelk fel. Ez a keret hvatott a megvlágító LED által kbocsájtott fényt eljuttatn a kamera által vzsgált felületre, bztosítva a megfelelő megvlágítást a szenzor számára. Ez az alkalmazás csaks akkor használható, ha a szenzort objektív nélkül, NYÁK-ra szerelve használjuk. Ilyenkor a szenzor alaplemezének folyamatosan érntkezne kell a vzsgálandó felülettel [5]. Az optka áramlást nem csupán a külön erre acélra kfejlesztett szenzorokkal lehet megvalósítan. Léteznek képfeldolgozó algortmusok am bármlyen kamera képe alapján számítják az optka elmozdulást 29
7 A szenzor megfelelő működéséhez, teszteléshez szükséges eszközök megtervezése, gyártása A szenzor önmagában működőképes ugyan, de az érzékenységét, stabl működését nagymértékben befolyásolják a környezet körülmények. A megfelelő működés körülményeket bztosítan kell az érzékelő számára és a zavaró hatásokat a lehető legnagyobb mértékben csökkenten, megszüntetn célszerű. Mvel a szenzort nem a gyár elrendezésben alkalmazom, hanem egy objektívvel felszerelve, ezért a pontos mérés adatok és a megfelelő működés bztosításához tesztelésre és fejlesztésre van szükség. 7.1 A megvlágítás bztosítása Mvel a szenzort egy objektívvel használom, ezért szükséges a hozzá lleszthető megvlágítás megtervezése. A pontos működéséhez megfelelő fényerejű megvlágítás szükséges, amnek mértéke nem lehet sem túl magas, sem túl alacsony. Gyenge megvlágítás esetén az érzékelő nem tudja helyesen meghatározn az általa belátott területen lévő textúra bzonyos geometra jellemzőt, ezáltal pontatlan mérés adatokat szolgáltat. Túlzott megvlágítás esetén vszont a szenzor optkáján keresztül az érzékelőre jutó fény ntenztása egyes helyeken túlzottan magas lesz, ennek hatására a kamera által érzékelt kép néhol kég, vagys fehér foltok keletkeznek, amk matt pedg a dgtáls jelfeldolgozó egység nem tud pontos méréseket végezn így szntén fals elmozdulás adatokat kap a szenzor által támogatott rendszer. 7.1.1 LED kválasztása A megvlágításhoz a szenzor érzékenységéhez llesztett hullámhosszúságú és ntenztású fény bztosítása érdekében LED-es vlágítást alkalmazok. A vlágításhoz az OptoSupply által gyártott OS5RPM5B61A típusú 5mm-es víztszta tokozású LED-eket használtam fel. A LED-ek fényerőssége 2180-4200mcd között változhat. A 20. ábrán látható az általam használt LED fényntenztás-sugárzás szög dagramja [6]. 30
20. ábra OS5RPM5B61A fényeloszlás görbéje [6] A 20. ábrán látható, hogy a LED 60 -os sugárzás szögnél az ntenztásának 50%-ával vlágít és nem teljesen szmmetrkus. Az aszmmetra a LED-ek gyártása során jön létre. Az alkalmazásom során a választott LED dőlésszögét úgy alakítom k, hogy az mnél nagyobb ntenztású fényt sugározzon a vzsgálandó felületre. Azért választottam ezt a típusú LED-et, mert a szenzor érzékenység tartományán belülre esk a LED által kbocsájtott fény hullámhossza, am áramerősségtől függően 619-629nm között változhat. 7.1.2 Körlámpa tervezése A vlágítás fenntartásához terveztem és gyártottam egy körlámpát, am tartalmazza a LED-eket. A 21. ábrán látható ennek a körlámpának a 2D-s metszet képe. 21. ábra Körlámpa vázlat 31
A vlágítást hasonló módon alakítottam k, mnt a dgtáls tükörreflexes fényképezőgépekhez használható körvakuk. A 21. ábrán látható, hogy ha a körlámpa alja és a vzsgálandó felület távolsága 28,36 mm, akkor a LED-eket a körlámpa palástjához képest 110 -os dőlésszögben kell elhelyezn. A megvalósítás során a dőlésszög csak egy tájékoztató érték, a tervezőprogram azt kadódó méretként kezel, ugyans az egyetlen paraméter, amt a szükséges kalakításhoz meg kell adn az a körlámpa és a talaj távolsága, ezáltal a szükséges dőlésszöget a program meghatározza. A 22. ábrán a körlámpa 3D-s metszete látható. A térbel metszeten látható, hogy a szenzor optkájának egy süllyesztés van kalakítva az anyagban, ezáltal az stablan tart, továbbá látható, hogy a LED-ek mlyen módon kerülnek beépítésre a körlámpába. A 23. ábrán látható a körlámpa működés közben. 22. ábra Körlámpa térbel metszete LED-ekkel 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 optka kválasztáshoz Az optka kválasztásához terveztem és építettem egy mérőállványt, am segítette és gyorsította a mérések elvégzését. 7.2.1 Tervezés A mérőállvány tervezésénél fő szempont volt, hogy az optka könnyen állítható, cserélhető legyen, mérés közben. Az állvány méretet úgy választottam meg, hogy az használat közben stabl legyen akkor s, ha az objektív fókuszpontján állítok és a kommunkácóhoz használt vezeték se tudja elmozdítan a szerkezetet mérés közben. A 24. ábrán látható a mérőkeret 3D-s terve. 24. ábra Mérőállvány, még csak vrtuálsan Az állványt úgy terveztem, hogy a rajta található nyílásba egy vonalzót helyezve könnyen leolvasható legyen az a távolság, am a vzsgálandó felület és az állvány között van és ezután pedg számítható az optka és a felület távolsága, am 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 stabl marad, a mérések elvégezhetők. Az állvánnyal vzsgálható az s, hogy mlyen hatással van a mérésre, hogyha a robot menet 33
közben megbllen, rámegy egyk kerekével valamlyen akadályra és így a szenzor már nem merőleges a vzsgálandó felület síkjára. 7.2.2 Megvalósítás Mnd a mérőállványt, mnd a körlámpát háromdmenzós nyomtatással valósítottam meg. Az eljárás gyors, prototípuskészítésre megfelelő. A 25. ábrán az állvány gyártás folyamatának egy pllanata látható. 25. ábra Mérőállvány 3D-nyomtatása A 25. ábrán látható mérőállvány elkészülése után, megfelelő pontosságú, smételhető méréseket tudtam végezn. 7.3 Tesztelő áramkör tervezése A szenzor optkájának kválasztásához nem a végleges hardverrel és az arra írt szoftverrel teszteltem, hanem külön, erre a célra tervezett egyszerű áramkörrel végeztem a méréseket. 7.3.1 Arduno UNO R3, ATmega 328P A teszteléshez használt áramkör egy ATmega 328P típusú AVR mkrovezérlő, am az Arduno Uno R3 kártyákon s megtalálható. A tervezésnél a kapcsolás rajz egy részét az Arduno kártya tervenek és az ATmega 328P adatlapjában található tervezés ajánlások felhasználásával állítottam össze. 34
részlete [7]. A 26. ábrán látható az Arduno Uno R3-as fejlesztőkártya kapcsolás rajzának 26. ábra Arduno Uno R3 kapcsolás rajz (részlet) [7] A 26-os ábrán látható kapcsolás rajz alapján terveztem meg a mkrovezérlő oszcllátorához és AVCC bemenetéhez szükséges összeköttetéseket. A kapcsolás rajzon látható csatlakozók közül az SPI kommunkácó használatához szükséges csatlakozót használom, am ICSP elnevezéssel van ellátva a rajzon. 7.3.2 Az általam tervezett kapcsolás rajz A mkrovezérlő működéséhez szükséges lában felül az alább 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 kommunkácóhoz kellenek, amelyet egy, az FTDI által gyártott, 3.3V-os jelszntű UART-TTL átalakító kábellel valósítottam meg. A több láb a szenzorral történő sznkron-soros kommunkácóhoz és a szenzor vezérléséhez kell. A 27. ábrán látható az általam tervezett elv kapcsolás rajz. 27. ábra Saját kapcsolás rajz A 27. ábrán látható kapcsolás rajzon a JP2 csatlakozó az FTDI kábel csatlakozója, ezen keresztül kommunkál a mkrovezérlő a számítógéppel, a JP3 nevű csatlakozó a mkrovezérlő programozó csatlakozója, míg a JP1 nevű csatlakozó köt össze egy szalagkábellel a mkrovezérlőt 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 matt nem látszk ugyan, de a tervezésnél telföldet alkalmaztam, ezáltal csökkent az átvezetések száma és az áramkör gyártásánál s kevesebb összeköttetést kell alkalmazn a nagy fóla matt. A kevesebb összeköttetés megkönnyít mnd a fototechnkás, mnd a CNC marós eljárással készült áramkörök gyártását. A tervezésnél fgyelembe kellett vennem, hogy a zavarok elkerülése érdekében a Q1 jelű kvarc-oszcllátornak és a hozzá tartozó kondenzátoroknak az AVR megfelelő lábahoz a lehető legközelebb kell elhelyezkednük. Az áramkörök tervezésénél általában a GND és a poztív tápfeszültség huzalozásat szélesebb rézfólával kell tervezn. Ez azért szükséges, hogy az esetlegesen nagyobb áramerősséget (~A) génylő alkatrészek által felvett nagyobb áramerősség matt ne melegedjen a vezetősáv. Ebben a kapcsolásban az alacsony feszültég-szntek és alacsony meghajtó áramerősségek matt nem szükséges a tápvonalat vastagabb vezetősávval húzn, továbbá az esetleges dsszpált hőmennységet elvezet az általam alkalmazott telföld, de ebben az alkalmazásban a telföld ezen előnye nem khasználható, mvel nncs 20mA-nál nagyobb áramerősség az áramkörben. Az áramkör tervezésénél törekedtem a lehető legksebb méretű áramkör elkészítésére, így ahol lehetett SMT alkatrészeket alkalmaztam. 37
8 Optka kválasztása Az optkák teszteléséhez, az par konzulensem, Árva László által fejlesztett tesztprogramot használtam. A szenzort 6 különböző optkával teszteltem, ezekből választottam k 1 típust, am a robotra kerül. A 29. ábrán látható a 6 db optka képe. 29. ábra Optkák A 29. ábrán látható optkák közül az 5-ös és 6-os számú nem szolgáltatott megfelelő mnőségű képet, így azoknak a tovább tesztelését mellőztem. 1. táblázat Optkák adata Optka L [mm] sorszáma (optka-felület távolsága) A [mm 2 ] mn max mn 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 mérés eredményeket, amelyek alapján került kválasztásra az optka. A kválasztott optka a 3-as sorszámú lett, mvel az általa belátott terület megfelelő az alkalmazáshoz, lletve a fókusztartománya s lleszkedk a robot fzka kalakításához. 38
A 30. és 31. ábra az általam kválasztott optkával készült két esetet mutatja, amkor s az egyk eset az, amkor a fókuszpont távolsága a vzsgálandó felülethez képest a legksebb, a másk, pedg amkor ez a távolság a legnagyobb. A szenzor elé a mérések közben mm-papírt helyeztem, így egyszerűen meghatározható a szenzor által látott terület. A 30. ábrán látható, hogy a szenzor a legközelebb fókuszpontba állítva ~12mm 2 -ny területet lát be. 30. ábra Legközelebb fókuszpont 31. ábra Legtávolabb fókuszpont A 31. ábrán látható, hogy a legtávolabb fókuszpontban a szenzor által látott terület ~400mm 2. 39
9 Robot elmozdulásának meghatározása A robot elmozdulásának meghatározásához nem elegendőek a szenzorok nyers adata, ugyans a szenzor regszterenek értékét szekvencálsan kell kolvasn, ezáltal mndg az előző helyzethez képest elmozdulást lehet csak kolvasn. A szenzor által szolgáltatott adatokat összegezn kell, és a robotvezérlő szoftverbe az összegzett adatokat küld k a mkrovezérlő egy kommunkácós csatornán. A mérésekhez nem elegendő 1 db szenzort alkalmazn, ugyans az nem képes szögelfordulást mérn, csaks x és y rányú 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 sematkus modellje. Omndrekconáls 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, amk a robot x tengelyén találhatóak. A szenzorok a robot alsó alaplemezén foglalnak helyet, a talajtól 50mm távolságra. Az 50mm-es távolság a kválasztott optka két szélső fókuszpontján belül helyezkedk el, így a belátott felület nagysága megfelelő és az esetleges pályára kerülő szennyeződés sem befolyásolja a működést mvel optmáls távolságra van a talajtól. A 33. ábrán a robot alsó szntjének összeállítás rajza látható. 40
9.2 Elmozdulás meghatározás matematka formulája A robot rányításához szükség van a szenzorok által szolgáltatott elmozdulás értékekre és a szenzorok elhelyezkedésének adatara a robot koordnáta rendszerében. A szenzorok elhelyezkedését a 33. ábra szemléltet. 33. ábra Koordnáta rendszer [14] A 33. ábrán látható az Y A és X A, abszolút koordnáta rendszerben a robot koordnáta rendszere Y R, X R jelöléssel, és a szenzorok koordnáta rendszere y, x jelöléssel. Az r R a robot távolsága az abszolút koordnáta rendszer orgójától, míg r az egyes szenzorok távolsága a robot koordnátarendszerének orgójától. Az ábrán θ R az abszolút koordnáta rendszer és a robot által bezárt szög, míg θ a szenzor szöghelyzete a robot x tengelyéhez képest és Φ a szenzor x tengelyének szöghelyzete az r egyenesre felvett merőleges vonalhoz képest. A számításokhoz először három alapvető esetet kell megvzsgáln, amk a következőek: tsztán x rányú elmozdulás, tsztán y rányú elmozdulás, forgás. 41
9.2.1 X rányú elmozdulás A 34. ábrán látható a tsztán x rányú elmozdulás esete. 34. ábra X rányú elmozdulás [14] A 34. ábrán látható θ a szenzor szöghelyzete a robot x tengelyéhez képest és Φ a szenzor x tengelyének szöghelyzete az r egyenesre felvett merőleges vonalhoz képest. Tsztán x rányú elmozdulás esetén az alább összefüggések írhatók fel: x = X R sn(θ + Φ ) (1) y = Y R cos(θ + Φ ) (2) Az összefüggésekben X R és Y R a tényleges x és y rányú elmozdulás, x és y pedg a szenzor által meghatározott elmozdulás érték. Ebben az esetben az y rányú elmozdulás és a szögelfordulás értéke 0. 42
9.2.2 Y rányú elmozdulás A 35. ábrán látható a tsztán y rányú elmozdulás esete. 35. ábra Y rányú elmozdulás [14] A 35. ábrán látható θ a szenzor szöghelyzete a robot x tengelyéhez képest és Φ a szenzor x tengelyének szöghelyzete az r egyenesre felvett merőleges vonalhoz képest. Tsztán y rányú elmozdulás esetén az alább összefüggések írhatók fel: x = Y R cos (θ + Φ ) (3) y = Y R sn (θ + Φ ) (4) Az összefüggésekben X R és Y R a tényleges x és y rányú elmozdulás, x és y pedg a szenzor által meghatározott elmozdulás érték. Ebben az esetben az x rányú elmozdulás és a szögelfordulás értéke 0. 43
9.2.3 Szögelfordulás A 36. ábrán látható az az eset, amkor a robot csak valamlyen szögben fordul el. 36. ábra Szögelfordulás [14] A 36. ábrán látható Φ a szenzor x tengelyének szöghelyzete az r egyenesre felvett merőleges vonalhoz képest. Abban az esetben, amkor csak elfordulás van, az alább összefüggések írhatók fel: x = ω r cos (Φ ) (5) y = ω r sn(φ ) (6) Az összefüggésekben szereplő ω a tényleges szögelfordulás mértéke, r pedg a szenzor távolsága a robot koordnátarendszerének orgójához képest. 9.3 Végképletek A három alapeset által felírható összefüggéseket összevontam és felírtam egy általános képlet a szenzor által meghatározott x, lletve y adatokra vonatkozóan. x = X R sn(θ + Φ ) Y R cos(θ + Φ ) ω r cos (θ + Φ ) (7) y = X R cos(θ + Φ ) + Y R sn(θ + Φ ) + ω r sn (θ + Φ ) (8) 44
45 A két összefüggést az elmozdulás értékekre rendezve és a konstansokat oszlopvektorokba írva a következő összefüggést kapjuk: R R r r r r Y X y x y x sn cos sn cos ) sn ) cos ) sn ) cos ) cos( ) sn cos ) sn ( ( ( ( ( ) ( ( (9) Az egyenletből kemelve a tényleges elmozdulás értéket, a konstansokból a következő mátrx hozható létre: r r r r A sn ) sn( ) cos( cos ) cos( ) sn( sn ) sn( ) cos( cos ) cos( ) sn( (10) A mátrxnak véve a Moore-Penrose nverzét és azt megszorozva a szenzor által szolgáltatott elmozdulásértékekkel, megkapjuk az abszolút elmozdulás étékeket. A Moore-Penrose nverz számítás: A + = A T (AA T ) 1 (11) y x y x A Y X R R 2 2 1 1 (12) Ezzel az összefüggéssel meghatározható a robot által bejárt pálya, így annak az adata továbbíthatóak a robotot vezérlő szoftver felé.
10 Szenzor llesztése kválasztott mkrovezérlőhöz A működése során a szenzor egy mkrovezérlővel létesít kapcsolatot SPI kommunkácóval, a szenzorok adatat a mkrovezérlőn futó szoftver dolgozza fel és továbbítja a robotot vezérlő rendszer felé. 10.1 STM32F4VCT6 A robot vezérlésére egy STM32F4VCT6 mkrovezérlő került kválasztásra, am az STMcroelectroncs által gyártott fejlesztőkártyába van beültetve. A fejlesztőkártya előnye, hogy a mkrovezérlő működése bztosított, a k és bemenet portok k vannak vezetve a kártya szélen található tüskesorokra, így gyors fejlesztést és hbakeresést tesz lehetővé. A 37. ábrán látható a fejlesztőkártya képe. 37. ábra STM32F4 fejlesztőkártya [12] A 37. ábrán láthatóak a kártya oldalán elhelyezkedő tüskesorok, amk a mkrovezérlő portja, továbbá két nyomógomb, amből az egyk a kártya reset gombja, a másk pedg a felhasználó által konfgurálható. A 38. ábrán látható a mkrovezérlő konfgurácója, am az STM32CubeMX programmal lett megvalósítva. 46