Robot Mobilny Elektron

elektron_1.jpg

Roboty mobilne Elektron zostały zaprojektowane i zbudowane w Instytucie Automatyki i Robotyki oraz Instytucie Automatyki i Informatyki Stosowanej Politechniki Warszawskiej. Baza jezdna robota jest sześciokołową platformą mobilną z elektrycznym napędem na wszystkie koła. Bazowe podwozie ma wymiary 500 na 380 na 220mm (szer., dł., wys.). Podstawowym zastosowaniem robotów mobilnych Elektron jest wykorzystanie w zajęciach dydaktycznych oraz jako bazy dla prac badawczych z zakresu nawigacji i sterowania robotów mobilnych.

Układ sterowania

Po modernizacji w 2011 roku robot Elektron ma na standardowym wyposażeniu układy sensoryczne: układ pomiaru odometrycznego bazujący na odczytach z enkoderów zamontowanych na kołach, skaner laserowy SICK LMS100 oraz czujnik trójwymiarowy Microsoft Kinect. Jako komputer pokładowy wykorzystywana jest jednostka z dwurdzeniowym procesorem Intel Atom D525, taktowanym z częstotliwością 1.8GHz. Niskopoziomowy system sterowania robota Elektron składa się z mikrokomputera centralnego z modułem zarządzania zasilaniem oraz sterownika silników małej mocy 1019. Opcjonalnie występują moduł wejść/wyjść oraz moduł zdalnego sterowania.

struktura.jpg

Jednostka centralna

Jednostka centralna robota mobilnego składa się z dwóch modułów: mikrokomputera oraz modułu zarządzania zasilaniem.

main.jpg main_b.jpg

Mikrokomputer centralny

Mikrokomputer centralny pełni rolę pośrednika między komputerem nadrzędnym a~układami sensorycznymi oraz wykonawczymi, a także monitoruje poziomy napięć w~sekcjach zasilania robota. Wyposażony jest w port RS-485, przeznaczony do podłączenia wewnętrznej magistrali robota, służącej do komunikacji z innymi modułami niskopoziomowego sterownika. Dla celów bezpośredniej komunikacji robota z zewnętrznymi urządzeniami moduł mikrokomputera został wyposażony również w dodatkowe interfejsy RS-232, RS-485, RS-422 oraz CAN. Komunikacja z nadrzędnym komputerem odbywa się przez Ethernet lub USB. Do bezpośredniej konfiguracji robota oraz odczytu parametrów pracy przez użytkownika służy ekran LCD i zestaw przycisków.

Moduł zarządzania zasilaniem

Moduł zarządzania zasilaniem wyposażony jest w zestaw przekaźników, sterowanych bezpośrednio przez moduł mikrokomputera. Ponadto daje mikrokomputerowi dostęp do pomiaru napięć w sekcjach zasilania robota. Pomiar tych parametrów umożliwia wykrywanie awarii systemu zasilania oraz diagnozę stanu akumulatora. W przypadku wykrycia nieprawidłowych poziomów napięć lub rozładowania akumulatora możliwe jest wyłączenie przez moduł zasilania pojedynczych sekcji lub całego robota.

Sterownik napędów

Do sterowania silnikami prądu stałego małych mocy, jakie zostały zamontowane w robotach Elektron, został zbudowany zintegrowany moduł, zawierający zarówno mikrokontroler, jak i stopnie mocy. Użyty został mikrokontroler dsPIC33FJ32MC302.

sterownik.jpg

Pojedynczy moduł obsługuje obydwa silniki wraz z enkoderami, samodzielnie realizując regulację pozycji silników. Moduł łączy się z centralnym mikrokomputerem za pośrednictwem interfejsu RS-485.

Panel sterowania

Do obsługi robota służy panel złożony z siedmiu przycisków oraz ekranu i diody świecącej. Przyciski służą do załączania i wyłączania robota, sekcji zasilania dostarczających energię do zewnętrznych urządzeń oraz umożliwiają awaryjne zatrzymanie robota.

Czerwona dioda pulsująca z częstotliwością około 2 Hz sygnalizuje prawidłowe działanie centralnego sterownika robota.

panel.jpg

  Nazwa Opis
1 Dioda LED Kontrolka centralnego sterownika robota
2 Ekran LCD Wyświetla parametry pracy robota
3 Przycisk ON Przycisk załączania robota
4 Przycisk OFF Przycisk wyłączania robota
5 Przycisk STOP Przycisk awaryjnego zatrzymania robota
6 Przycisk LEFT Przycisk wyłączenia sekcji zasilania
7 Przycisk RIGHT Przycisk załączenia sekcji zasilania
8 Przycisk UP Przycisk wyboru sekcji zasilania
9 Przycisk DOWN Przycisk wyboru sekcji zasilania

Na ekranie wyświetlane są aktualne parametry pracy robota, takie jak:

Bt napięcie akumulatora.
12 napięcie wyjściowe przetwornicy dwunastowoltowej.
05 napięcie wyjściowe przetwornicy pięciowoltowej.
M1, M2 parametry pracy sterowników napędów - ich napięcie zasilania oraz, opcjonalnie, temeratura. Dodatkowa kontrolka on/off sygnalizuje zezwolenie na dostarczenie zasilania przez sterownik centralny.
usb podświetlona kontrolka sygnalizuje połączenie z komputerem PC za pośrednictwem interfejsu USB.
link podświetlona kontrolka sygnalizuje aktywną wymianę danych z komputerem PC.
o0..o3 - kontrolki stanu czterech sekcji zasilania. Podświetlona kontrolka oznacza załączoną sekcję. Obok kontrolek sekcji zasilania znajduje się kursor, służący do wyboru sekcji w celu jej ręczne załączenia lub wyłączenia.

Dodatkowo na ekranie mogą się pojawić komunikaty:

battery low - niski poziom naładowania akumulatora.
shutting down - krytyczny poziom naładowania akumulatora, robot wyłączy się samoczynnie po około 30 sekundach.

Sekcje zasilania

Każde z urządzeń składających się na dodatkowe wyposażenie robota, takich jak kamery 3D i inne sensory, przyporządkowane jest do jednej z czterech sekcji zasilania. W ramach każdej sekcji występują źródła energii o następujących parametrach:

Napięcie Obciążalność prądowa Uwagi
5V 5A Załączone na stałe
12V 3A Załączane przez sterownik
20..30V 5A Załączane przez sterownik

Sumaryczny pobór prądu przez urządzenia zasilane w obrębie wszystkich sekcji nie powinien przekraczać:

Napięcie Sumaryczna obciążalność prądowa
5V 8A
12V 3A
20..30V 7A

Obsługa robota

Załączenie, wyłączenie

W celu załączenia robota należy nacisnąć przycisk ON. Ekran panelu sterowania powinien wyświetlić parametry pracy, a kontrolka sterownika powinna zacząć pulsować.

Aby wyłączyć robota, należy przytrzymać przez kilka sekund wciśnięty przycisk OFF. Robot może wyłączyć się również samoczynnie, w przypadku otrzymania odpowiedniego polecenia od komputera lub gdy napięcie akumulatora osiągnie stan krytyczny.

Przejście w tryb pracy

Należy upewnić się, że robot i komputer PC są załączone, a program sterujący na komputerze PC nie pracuje. W tym przypadku na wyświetlaczu robota kontrolka połączenia usb powinna być podświetlona, kontrolka wymiany danych link powinna być wygaszona, a kontrolki sterowników napędów powinny wskazywać off. Jeżeli którykolwiek z przycisków stopu awaryjnego jest wciśnięty, należy go zwolnić przez przekręcenie. Następnie należy uruchomić program sterujący na PC, który przejmie kontrolę nad robotem.

Awaryjne zatrzymanie

W przypadku konieczności natychmiastowego zatrzymania robota należy wcisnąć jeden z przycisków stopu awaryjnego na robocie lub przycisk STOP na panelu robota. W celu ponownego załączenia napędów robota należy wyłączyć program sterujący na PC oraz odblokować przyciski stopu awaryjnego.

Załączanie sekcji zasilania

Podczas pracy programu sterującego na PC posiada on pełną kontrolę nad robotem, włącznie ze sterowaniem sekcjami zasilania dodatkowych urządzeń.

Jeżeli program jest wyłączony, istnieje możliwość ręcznego sterowania sekcjami. W tym celu, posługując się przyciskami UP i DOWN należy wybrać kursorem żądaną sekcję, a następnie załączyć ją przyciskem RIGHT lub wyłączyć przyciskiem LEFT. Stan sekcji będzie sygnalizowany przez podświetlenie kontrolek o0..o3 .

Obsługa akumulatora

Robot zasilany jest z wbudowanego akumulatora o napięciu znamionowym 24V.

W przypadku niskiego poziomu naładowania akumulatora (utzrymujące się napięcie poniżej 22,0V) zostanie odtworzony ostrzegający dźwięk oraz na ekranie zostanie wyświetlony komunikat battery low.

Gdy poziom naładowania akumulatora osiągnie stan krytyczny (utrzymujące się napięcie poniżej 21,0V), zostanie odtworzony ostrzegający dźwięk, na ekranie zostanie wyświetlony komunikat shutting down, a robot wyłączy się samoczynnie po około 30 sekundach.

W celu naładowania akumulatora należy podłączyć do gniazda ładowania robota dołączoną ładowarkę sieciową.

Warning, important Dla przedłużenia żywotności akumulatorów należy unikać ich pozostawiania w stanie rozładowanym.

Tip, idea Przy zwiększonym poborze prądu, np. przez załączenie dodatkowych sensorów, podłączenie ładowarki może nie wystarczyć do utrzymania napięcia akumulatorów na stałym poziomie. W tej sytuacji może dojść do rozładowania akumulatorów i samoczynnego wyłączenia robota. Akumulatory należy całkowicie naładować przed następnym załączeniem robota.

Dołączanie dodatkowych modułów

Wszystkie moduły elektroniczne przeznaczone do pracy w robocie mobilnym pod kontrolą modułu centralnego mają do dyspozycji zestaw napięć zasilania o wartościach 5V, 12V i 20..30V oraz magistralę komunikacji w standardzie RS-485 dwuprzewodowym (half duplex). W modułach budowanych przez RCPRG przyjęło się stosowanie jako złącza zasilania czterotorowego gniazda Molex Microfit. Gniazda tego typu występują zarówno w źródłach zasilania (w tym przypadku źródłem jest moduł centralny), jak i w odbiornikach (modułach podrzędnych, dołączanych do modułu centralnego).

Microfit2x2.jpg

pin funkcja
4 wspólna masa
3 20..30V
2 12V
1 5V
Rysunek przedstawia widok gniazda zasilania w urządzeniu zasilającym lub odbiorniku. Funkcje poszczególnych pinów opisuje tabela.

Do przyłączenia modułu do magistrali stosuje się dwutorowe złącza Molex Microfit. W RCPRG złącza takie stosuje się nie tylko do interfejsu RS-485, lecz także RS-232, RS-422 i CAN. W modułach z interfejsem RS-422 w trybie full duplex używa się dwóch takich złącz, osobno dla każdego kierunku transmisji. W modułach z interfejsem RS-232 poziom odniesienia dla sygnału stanowi masa w złączu zasilania.

Microfit2x1.jpg

pin RS-485 RS-422 CAN RS-232
2 B (-) RX- / TX- CAN_L slave->master
1 A (+) RX+ / TX+ CAN_H master->slave

Tip, idea W nowoprojektowanych modułach elektronicznych zaleca się stosowanie dwóch złącz zasilania, z bezpośrednio połączonymi elektrycznie odpowiednimi pinami. Dzięki temu do pojedynczego złącza zasilającego urządzenia nadrzędnego można podłączyć szereg modułów podrzędnych, połączonych w układzie daisy chain. Podobnie dla interfejsów RS-485 i CAN, z myślą o podłączeniu modułu do magistrali, należy stosować w module po dwa połączone gniazda oraz załączaną przełącznikiem rezystancję terminującą.

Podłączanie zewnętrznego komputera do jednostki centralnej

STM32 Windows Virtual COM Port Driver

-- Wacek - 2013-04-27

Navigation

s