МОДЕРНИЗАЦИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСТРЕННОЙ ДЕЗИНФЕКЦИИ
ВОЗДУХА И ПОВЕРХНОСТЕЙ,
ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ЛИДАР
СОДЕРЖАНИЕ
ВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….3
1. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ..............................................................7
1.1.............................УТОЧНЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ. ТЕХНИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ……….7
1.2...........................................................................................................ТЯГОВЫЙ
РАСЧЁТ……………………………………………………………...7
1.3...........................ВЫБОР КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ ТЯГОВЫХ ПРИВОДОВ
МР……………………8
1.4...............................................БЕСКОНТАКТНЫЙ МОМЕНТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ДБМ………………………………9
1.5..................................................................................................ИНТЕНСИВНОЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ……………………………………………...14
1.6.............................................................................ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ
МРР……………………………………………..17
1.6.1...............................................................................ВНЕШНИЕ ИСТОЧНИКИ
ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ………………………………..17
1.6.2..............................................................................БОРТОВЫЕ ИСТОЧНИКИ
ПИТАНИЯ………………………………………..18
1.6.3...........................................................................ВЫВОД ПО ИСТОЧНИКАМ
ПИТАНИЯ………………………………………19
1.6.4............................МЕТОДЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ
ТОКА………………19
1.7.......................................................КАЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИЙ
ЛАПКИ………………………………..27
2 РАСЧЕТ РЕДУКТОРА..................................................................................30
2.1............................................................................КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
РЕДУКТОРА………………………………………30
2.1.1................................................................РАСЧЕТ ПЕРЕДАТОЧНОГО ЧИСЛА
РЕДУКТОРА……………………………..30
2.1.2 КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ПР………………………
30
2.1.3..........................................КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВТОРОЙ СТУПЕНИ
ПР………………………..31
2
2.2 СИЛОВОЙ РАСЧЕТ……………………………………………………………
32
2.2.1................ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ РАСЧЕТЕ НА КОНТАКТНУЮ
ВЫНОСЛИВОСТЬ…………………………………………………………………….3
2
2.2.2.....................ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ РАСЧЕТЕ НА ИЗГИБНУЮ
ВЫНОСЛИВОСТЬ…………………………………………………………………….3
5
2.2.3..............................................................РАСЧЕТ ЗУБЧАТОГО ЗАЦЕПЛЕНИЯ
ПР…………………………………….36
2.2.4.........................................................ПРОВЕРКА ЗУБЬЕВ ПО КОНТАКТНЫМ
НАПРЯЖЕНИЯМ…………………….39
2.2.5.......................................................ПРОВЕРКА ЗУБЬЕВ ПО НАПРЯЖЕНИЯМ
ИЗГИБА…………………………..40
2.3..............................................................................................................РАСЧЕТ
СОЕДИНЕНИЙ…………………………………………………………40
2.3.1........................................................................................РАСЧЕТ КЛЕЕВЫХ
СОЕДИНЕНИЙ………………………………………….41
2.3.2.......................................................................................РАСЧЕТ СВАРНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ………………………………………….41
3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ
СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ
ПО
ТЕХНОЛОГИИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ «ЛИДАР»................................42
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................60
ВЕДЕНИЕ
По статистике, гриппом, коронавирусной инфекцией и другими
инфекционными заболеваниями в России ежегодно заражаются более 37,5
миллионов человек. Бактерицидные рециркуляторы для обеззараживания
воздуха — устройства, помогающие предотвращать распространение
инфекционных заболеваний.
Основная
причина
широкого
распространения
инфекционных
заболеваний — это постоянная мутация вирусов ОРВИ, гриппа, COVID-19,
передающихся воздушно-капельным путем. Эпидемиологическая опасность
3
возникает, даже если все население вакцинировано, поскольку вакцинация
может быть бессильной против новых штаммов вирусов.
Все знают, что легче предотвратить болезни, чем лечить их. Одним из
методов,
предотвращающих
распространение
инфекций,
является
дезинфекция воздуха в различных общественных местах на ежедневной
основе.
Рециркулятор, бактерицидное действие которого вызвано воздействием
ультрафиолетовых лучей на микроорганизмы, является устройством для
защиты
от
многих
инфекций.
Давайте
рассмотрим
действие
ультрафиолетового излучения.
В 80-х годах XIX века британскими учеными Блантом и Дауном было
обнаружено, что при воздействии прямых солнечных лучей размножение
микроорганизмов прекращается.
Последующие исследования показали, что бактерии и вирусы
уничтожаются той частью солнечного спектра, длина волны которой
находится в диапазоне от 100 до 280 Нм. Максимальная эффективность
излучения происходит на длине волны от 250 до 270 Нм.
Губительное воздействие ультрафиолетовых лучей на бактерии
вызвано фотохимической реакцией, которая происходит в микроорганизмах
под
влиянием
ультрафиолета.
Реакция
заканчивается
необратимым
повреждением генетической цепи молекул организма. Это предотвращает
дальнейшее размножение вирусов, бактерий и других патогенных микробов,
а также способствует их уничтожению.
В результате действия ультрафиолетового излучения возбудители
инфекционных заболеваний уничтожаются без использования вредных
химических веществ, что более предпочтительно для окружающей среды.
Таким образом, бактерицидный рециркулятор является высокоточным
оружием в борьбе с патогенными микроорганизмами.
Каждый день людям приходится сталкиваться с патогенными
микроорганизмами в различных общественных местах. Для предотвращения
4
распространения болезней в местах, где люди находятся в большом
количестве, устанавливаются бактерицидные облучатели и рециркуляторы.
Бактерицидные
рециркуляторы
для
обеззараживания
воздуха
устанавливаются во многих общественных учреждениях:

больницах, клиниках;

пансионатах и базах отдыха;

детских садах, школах;

салонах красоты, фитнес-клубах и других.
Ультрафиолетовый
бактерицидный
рециркулятор
дезинфицирует
воздух в помещении, многократно пропуская его через его корпус.
Устройство установлено таким образом, что вход и выход воздушного потока
осуществляется беспрепятственно.
Бактерицидный рециркулятор для дома, офиса или производственного
помещения помещается над оконными или дверными проемами, если
используется настенная версия.
Рециркуляторы обеспечивают надежный уровень безопасности от
различных инфекций и болезнетворных организмов, не создавая опасности
для взрослых и детей. Небольшой размер и оригинальный дизайн позволяют
установить бактерицидный рециркулятор в любой квартире.
Все больше и больше общественных, в том числе медицинских,
учреждений устанавливают бактерицидные рециркуляторы в своих зданиях,
чтобы постоянно обеспечивать бактерицидную безопасность.
Мобильные
применение
в
робототехнические
условиях
комплексы
повышенной
радиации,
(МРК)
нашли
загазованности
своё
или
взрывоопасности, в условиях боевых действий, и естественно в условиях,
когда надо быстро и качественно провести обработку помещений или
дезинфекцию воздуха. Мобильному роботу часто приходится работать в
труднодоступных местах, в связи с чем предъявляются повышенные
требования к проходимости и манёвренности.
5
В качестве устройства для которого будет проектироваться платформа
был выбран бактерицидный рециркулятор-облучатель воздуха закрытого
типа «HTL-Advansys-17».
Прибор для обеззараживания воздуха в помещении выполняет
функцию ночника и имеет пульт управления – новинка в интернет магазине.
Корпус прибора надежно защищает людей, находящихся в помещении,
от негативного воздействия УФ-излучения. Кроме того, в приборе
используются только безозоновые бактерицидные УФ-лампы.

Для домашнего применения в квартирах

Для загородного дома

Для небольших помещений

Кафе, бары, рестораны

Лобби отелей

Офисы и небольшие предприятия

Небольшие конференц-залы

Учебные аудитории.
Не требует дополнительного технического обслуживания, а срок
службы лампы составляет не менее 8000 часов, что составляет не менее
одного года непрерывной работы или до трех лет при использовании в
течение 8 часов в день. Харакетристики рециркулятора приведены в
приложении А.
Актуальностью работы будет являться то, что рециркулятор в нашем
случае прекрасно может устанавливаться на отдельно приобретаемую
передвижную
подставку.
Передвижная
подставка
будет
увеличивать
мобильность прибора и повышать практичность его применения. Подставка
позволяет
поочередно.
использовать
Кроме
один
того,
рециркулятор
подставка
в
придаст
разных
помещениях
рециркулятору
более
эстетически привлекательный вид.
6
Целью
выпускной
квалификационной
работы
будет
являться
разработка мобильной платформы для рециркулятора с применением
системы позиционирования ЛИДАР.
Задачами на пути достижения цели будут выступать:
‒
разработка мобильной платформы;
‒
проработка
вопроса
внедрения
системы
ЛИДАР
для
позиционирования подвижной платформы дезинфектора.
1
1.1
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ
Уточнение
технического
задания.
Технические характеристики
В зависимости от выполняемой задачи, зададимся техническими
характеристиками мобильного ротбоа, а именно нашей роботизированной
платформой.
Технические характеристики:
Масса мобильного робота 15 кг.
Максимальная скорость движения 3 м/с.
7
Максимальная продольная база 40 см.
Для увеличения проходимости в случае наличия на поверхности
движения мелкого мусора, кабелей или неровностей выберем тип движителя –
6 шлёпок, все шесть шлёпок являются основными.
Тип привода - 6 электромеханических приводов – для привода шлёпок.
Планируемое время работы до подзарядки батарей ……………………..0.5...2
Помимо ЛИДАР, предусмотрим дистанционное управление, и дабы
унифицировать использование мобильной платформы, и заложим эффективную
дальность управления по радиоканалу на открытой местности 3000м. Что
позволит его использовать в больших ангарах и выставочных павильонах.
1.2
Тяговый расчёт
Исходные данные:
- масса робота;
- р адиус колеса;
- коэффициент сцепления движителя с поверхностью.
Определение потребная силы тяги:
Определение необходимого тягового момента:
Необходимый тяговый момент на одном колесе:
1.3
Выбор конструктивной схемы тяговых
приводов МР
8
Тяговые приводы мобильных роботов (МР) предназначены для
создания необходимых тяговых усилий, обеспечивающих движение МР.
Приводы должны отвечать следующим требованиям:
1.
Минимальные габаритно-весовые характеристики,
2.
Торможение МР при выключении
3.
Удобство в эксплуатации и ремонтопригодность.
На МР находят применение следующие типы тяговых приводов:

механические,

гидравлические,

пневматические,

комбинированные.
Наибольшее распространение в МР получили электромеханические
приводы, называемые обычно мотор-звездочка.
Приемлемыми
двигателями
для
данного
МР
являются
электродвигатель ДП60-63 и двигатели типа ДБМ.
Для уменьшения массы и размеров тяговых приводов применяют
планетарные и волновые редукторы. Из технологических и конструктивных
соображений целесообразнее использовать планетарные передачи.
С этой точки зрения наилучшими возможностями обладает привода с
двигателями типа ДБМ, которые позволяют осуществить бесступенчатое
регулирование тяговых и скоростных параметров МР за счет большой
установочной мощности электродвигателей. При этом при малых скоростях
передвижения ТС реализуется максимальный момент двигателя, а при
максимальной скорости передвижения момент на двигателе ограничивается
возможностями системы энергоснабжения.
Кроме
того,
эти
двигатели
позволяют
наилучшим
образом
скомпоновать приводы с точки зрения размещения их в корпусе МР. Далее я
более подробно рассмотрю данные двигатели и проведу их оптимизацию по
напряжению.
9
1.4
Бесконтактный моментный двигатель ДБМ
Традиционное построение электропривода в виде быстроходного
электродвигателя постоянного или переменного тока и понижающего
редуктора в настоящее время почти исчерпали возможности повышения
точности, быстродействия и надежности оборудования.
Хороших качественных показателей можно достичь, используя
тихоходные
малоредукторные
(безредукторные)
приводы
на
базе
бесконтактных моментных электродвигателей (ДБМ). Термин “моментный”
означает, что электродвигатель спроектирован для режима вращения с малой
скоростью. Ввиду конструктивных особенностей таких как:

встраиваемая, компактная конструкция;

непосредственное соединение двигателя с исполнительным
инструментом;

большие возможности по форсированию момента за счет
увеличения силы тока в обмотках статора;

более удобный по сравнению с другими двигателями отвод тепла,
т.к. греющиеся обмотки расположены на статоре, а не на роторе как в других
электродвигателях;
Особенно перспективным становится их применение в приводах моторколесо и мотор-звездочека. Двигатели серии ДБМ могут использоваться как
в номинальном режиме, так и в режиме “интенсивного” использования. Под
интенсивным
использованием
понимается
комплекс
мероприятий,
обеспечивающих, при необходимости, длительную форсировку машины по
моменту. При таком использовании номинальный режим не устанавливается,
а ограничения по применению определяются только условиями допустимого
перегрева и предельными амплитудными значениями токов и напряжений.
Учитывая, что уже известны конструктивные особенности ходовой
части и корпуса мобильного робота можно практически точно прикинуть
габаритные размеры мотор-редуктора, ее конструкцию и тот объем, в
10
который необходимо вписать ДБМ. Исходя из этого рассмотрим двигатель
ДБМ 63-0,6-3-2 Д25. Его характеристики приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Технические характеристики ДБМ 63-0,6-3-2 Д25
Наименование параметра
В режиме вентильного двигателя при базовой схеме управления и амплитуде
фазного напряжения 27В:
Частота вращения при идеальном холостом ходе, об/мин
Пусковой момент, Н м, не менее
Электромеханическая постоянная времени (усредненная), мс
Число пар полюсов
Сопротивление секции фазы постоянному току при температуре 20*С, Ом
Электромагнитная постоянная времени фазы, мс, не более
Момент инерции ротора,
Момент сопротивления при обесточенных обмотках, Нм, не более
Предельно допустимое напряжение питания, В
Предельно допустимая амплитуда тока в фазе (секции) обмотки стато^ pa. A
Термическое сопротивление статора, «С/Вт
Масса, кг, не более
Значение
2700-3400
0.11
160
8
7.4-9.2
0.06
0.003
10
1.0 – 1.2
0.32
Синхронная электрическая машина с постоянными магнитами обладает
наиболее широкими функциональными возможностями по сравнению с
другими видами электрических машин. При питании обмоток статора
системой синусоидальных напряжений с временным сдвигом 90 эл. градусов
для двухфазных и 120 эл. градусов для трехфазных машин (непрерывное
управление) имеет место режим синхронного двигателя. Если на обмотку
статора подавать систему разнополярных или однопо-лярных импульсов
напряжения (дискретное управление с реверсивным или нереверсивным
питанием), двигатель становится шаговым. При наличии обратной связи по
положению ротора (локально замкнутая система), как показано на рис.1.1
двигатель превращается в бесколлекторный аналог двигателя постоянного
тока с возбуждением от постоянных магнитов, сохраняя присущий
последнему характер механических и регулировочных характеристик,
широкий диапазон регулирования частоты вращения и т.д. Этот режим
называют
также
осуществляться
режимом
с
вентильного
нереверсивным
или
двигателя,
реверсивным
который
может
питанием
при
непрерывном или дискретном управлении.
11
Функциональная схема вентильного двигателя показана на рис. 1.1 и
содержит преобразователь координат (ПК), синхронную машину (СМ) и
усилитель мощности (УМ) по числу фаз СМ. В наиболее распространенных
аналоговых вариантах ПК используется отдельный датчик положения ротора
(ДПР) в виде трехобмоточного редуктосина серии ВТ (2), хотя для
безредукторных систем код утла сможет быть снят с датчика угла главной
обратной связи следящей системы.
Рисунок 1.1 – Функциональная схема вентильного двигателя с 2фазной машиной СМ - синхронная машина; ПК - преобразователь координат;
ДПР
-
датчик
положения ротора; ФЧВ
-
фазочувствительный
выпрямитель; УМ - усилитель мощности; М - модулятор; Uy - управляющий
сигнал.
В режиме вентильного двигателя с дискретным управлением могут
быть использованы ДПР других типов (фотоэлектрические, индуктивные и
т.д.). Подробный перечень литературы по разработке ПК и УМ приведение.
Иногда вентильный двигатель может работать и без отдельного ДПР.В
этом случае сигнал углового положения ротора формируется специальной
электронной схемой по другим доступным измерению координатам:
индуктивности фаз, ЭДС вращения СМ, сигналам тахогенератора и т.д.
Изменение характеристик БМП путем изменения его структуры самим
потребителем, а также путем изменения формы фазных напряжении или
переключения секций обмотки статора СМ называют программированием
параметров. Рассмотрим, для примера, возможности, которые предоставляет
12
потребителю двухфазный четырехсекционный двигатель серии ДБМ,
принципиальная электрическая схема обмотки статора которого показана на
рис.1.2.
Рисунок 1.2 – Принципиальная электрическая схема обмотки статора
Если секции каждой фазы соединить между собой последовательно (рис.
1.3 а), то в режиме вентильного двигателя при непрерывном управлении и
реверсивном питании (рис.1.3 а) его механическая характеристика при
амплитуде фазного напряжения U изображается на рис.5 прямой 1 (примем
ее за базисную).
Рис. 3а
Рис. 3б
Рис. 3в
Рисунок 1.3 – Соединение фаз
Если при том же управлении и том же напряжении использовать только
по одной секции каждой фазы (рис.1.3б), механическая характеристика
изменит свою жесткость и изображается на рис.1.5 прямой 2.
Такой же оказывается механическая характеристика при непрерывном
управлении и нереверсивном питании (рис.4,б), когда в положительный
полупериод фазного напряжения включена одна секция фазы, а а
отрицательный полупериод - другая.
13
Если же две секции каждой фазы соединить параллельно (рис.1.3,в), то
механическая характеристика при непрерывном управлении и реверсивном
питании сохраняет жесткость базисной, но при том же напряжении U частота
вращения и пусковой момент удваиваются (прямая 3).
Рисунок 1.4 – Циклограмма изменения фазных напряжений при
различных способах управления
Если вместо непрерывного управления применить дискретное с реверсивным питанием (рис.1.4,в), то при последовательном соединении
секций каждой фазы и фазном напряжении U механическая характеристика
двигателя (прямая 4) не изменит своей жесткости, но будет лежать выше
прямой I. При непрерывном управлении с нереверсивным питанием
(рис.1.4,г) механическая характеристика изменит свою жесткость и занимает
положение 5.
Но, кроме того, этот же двигатель допускает работу и в режиме
синхронного, и в режиме шагового двигателя с реверсивным или не
реверсивным питанием.
14
Рисунок 1.5 – Механические характеристики в режиме вентильного
двигателя
ПРИ
различных способах управления и включения секций фаз
обмотки статора 2 - фазного двигателя (по рис. 3 и 4)
Аналогично обстоит дело и с трехфазными двигателями, принципиальная электрическая схема которых изображена на рис.1.2,б Соединяя фазы
различным образом и применяя различные варианты управления можно
получить разнообразные механические характеристики при одном и том же
напряжении питания.
1.5
Интенсивное использование
Под интенсивным использованием понимается комплекс мероприятий,
обеспечивающих,
при необходимости,
длительную
форсировку
машины по моменту или полезной мощности на валу.
Встраиваемое конструктивное исполнение двигателей серии ДБМ
предоставляет возможность для более интенсивного отвода выделяющегося в
статоре тепла, а наличие постоянных магнитов с высокой коэрцитивной
силой позволяет допускать значительные перегрузки по току и моменту.
15
Поэтому здесь возможен и оправдан совершенно иной подход к выбору
режима работы.
Концепция интенсивного использования двигателей ДБМ или привода
на его основе в корне отличается от традиционного номинального
использования (использования в номинальном режиме).
При традиционном подходе в процессе проектирования двигателя
отрабатывается, испытывается и проверяется типовой номинальный рабочий
режим
(или
несколько
режимов),
в
котором
исполнительный
электродвигатель предполагается использовать. При этом определяются
ограничения по амплитудному и среднеквадратичному значениям тока и
момента, форме и амплитуде питающего напряжения, схеме управления и
т.д. Применение двигателей в других режимах, кроме заведомо более легких,
не допускается, даже если конструкция машины, в принципе, может их
обеспечить.
При
интенсивном
использовании
номинальный
режим
не
устанавливается, а ограничения по применению определяются только
условиями
допустимого
перегрева
и
предельными
амплитудными
значениямитоков и напряжении.
Двигатели серии ДБМ в соответствии с технической документацией на
них могут применяться во всех режимах - от S1 до S8 по ГОСТ 183-74 без
ограничения по частоте пусков и реверсов, при любой форме и частоте
фазных напряжении (амплитуда оговаривается в документации и указана в
технических данных для каждого двигателя), любои схеме соединений
секций фаз и любом виде нагрузки при условии, что амплитуда тока в
обмотке
статора
не
превышает
установленного
значения
(обычно
десятикратного по отношению к току, обеспечивающему некоторый
условный номинальный момент, характеризующий данный типоразмер), а
конструкция теплоотвода обеспечивает температуру обмотки не более 150'С
для двигателей с пазовым статором и не более 120'С для двигателей с
гладким статором в течение минимальной наработки 20000ч.
16
Проиллюстрируем это положение на примере произвольно выбранного
двухфазного двигателя из серии ДБМ.
На рис.1.6 прямой 1 изображена его механическая характеристика при
напряжении 27В в режиме вентильного двигателя при последовательном
соединении секций каждой фазы. Допустим при этом, что у этого двигателя
кратность пускового момента Мп по отношению к номинальному моменту
Мном равна 4.
Рисунок 1.6 – Механические характеристики в режиме вентильного
двигателя (1,2 – при напряжении 27В; 3 – при напряжении 60 В)
При традиционном подходе продолжительный режим работы регламентируется зоной А левее точки номинального момента, а при интенсивном
использовании допустимая рабочая зона гораздо шире (зона Б). Прямая 2
изображает механическую характеристику этого двигателя при напряжении
питания 27В и параллельном соединении секций фазы, прямая 3 характеристику при параллельном соединении секций фезы и предельном
напряжении питания 60В. Однако прямая 3 ограничивает рабочую зону
только частично, вторым ограничением является 10-кратная перегрузка по
моменту, пропорциональному предельному току.
Однако, реализация такой теоретически широкой рабочей зоны требует
от потребителя, с одной стороны, конструирования соответствующего
теплоотвода и теплозащиты двигателя, а с другой стороны, оптимизации
схемы управления.
17
Оптимизация схемы управления для интенсивного использования,
сводится обычно к следующим мероприятиям:
‒
введение источника форсирующего напряжения;
‒
применение
непрерывного
управления,
обеспечивающего
меньшие потери в обмотках двигателя, чем дискретное;
‒
уменьшение или компенсация постоянной времени усилителя-
преобразователя;
‒
применение оптимального по быстродействию управления;
‒
дополнительное управление по углу опережения коммутации и
т.п.
1.6
Источники энергии для МРР
Для приведения мобильного робота-разведчика в движение необходим
подвод энергии. Создание энергоёмкого, лёгкого, дешёвого источника
питания с большим сроком службы является одной из важнейших проблем в
мобильном роботостроении. Эти же проблемы стоят перед создателями
транспортных средств передвижения, опыт которых в создании экологически
чистых и экономичных средств перемещения может быть успешно
использован для решения задач создания мобильных роботов.
Источник энергии может быть расположен как на борту МР, так и на
некоторой дистанции. Далее проведено рассмотрение преимуществ и
недостатков того и другого способа.
1.6.1
Внешние источники электропитания
Внешнее питание может осуществляться через кабель, намотанный на
барабан.
Существует два способа размещения барабана с кабелем:
1. У поста оператора.
18
2. На мобильном роботе.
При размещении барабана с кабелем на МР увеличиваются габариты и
вес МР. Однако при зацепе кабеля обрыва не происходит.
В ряде случаев, таких, как подавление управляющего радиосигнала и
других, целесообразно применять кабель с размещением кабелеукладчика на
борту МРР.
Второй вариант представляется более предпочтительным, поскольку
изменение массы МРР будет незначительным, а также, что не менее важно,
рабочая зона навесного оборудования также изменится незначительно.
В целом, размещение источников питания МРР вне мобильного робота
признается для задач, решаемых проектируемым мобильным роботом,
непригодным. Несмотря на облегчение самого робота, вес переносимого
комплекта в целом не только не изменится, но и увеличится на массу кабеля
и катушки.
1.6.2
Бортовые источники питания
Бортовые источники питания должны удовлетворять следующим
требованиям:
‒
компактность;
‒
запас энергии, достаточный для удовлетворения ТЗ по дальности
хода от одной зарядки;
‒
возможность быстрой подзарядки или замены;
‒
работоспособность в диапазоне температур, определяемом ТЗ;
‒
работоспособность при углах крена и дифферента;
‒
устойчивость к внешним динамическим воздействиям;
‒
низкий уровень шума.
Известные источники энергии, применимые к решаемой задаче, можно
разделить на следующие типы:
1. Химические (аккумуляторные батареи);
19
2.
Тепловые
(двигатели
внутреннего
сгорания
(ДВС)
на
газонефтепродуктах).
Тепловой двигатель для решения поставленной задачи должен быть
признан непригодным, т.к., они шумны, оставляют тепловой и визуальный
след от продуктов сгорания.
Для мобильных роботов в настоящее время широко используются
химические аккумуляторные батареи. Они удовлетворяют большинству из
вышеперечисленных требований. Однако у них также есть свои недостатки.
Недостатки АКБ:
‒
обладают меньшим запасом энергии от одной зарядки, по
сравнению с дизельными мотор-генераторами;
‒
необходимо следить за разрядом, при разрядке больше чем на
50% свойства АКБ ухудшаются, они могут запасать меньше энергии и
меньше её хранить;
‒
для подзарядки батареи необходимо их либо извлекать из
корпуса МР, заменяя на новые, либо на время зарядки МР будет простаивать.
1.6.3
Вывод по источникам питания
Из рассмотренных вариантов питания мобильного робота следует
сделать вывод, что наилучшим вариантом является установка химических
аккумуляторных батарей непосредственно на борт мобильного робота
разведчика.
1.6.4
Методы эксплуатации химических источников тока
Рассмотрим общие требования к эксплуатации аккумуляторных батарей.
Выбор первичных источников тока целесообразен лишь при незначительном
потреблении энергии устройством, для которого они предназначены. Такой
выбор подкрепляется ценой, которая в разы меньше стоимости аккумуляторов и
20
необходимых зарядных устройств, также простатой эксплуатации и иногда
большим сроком хранения.
Надо заметить, что паспортное номинальное напряжение марганцевоцинковых элементов несколько больше номинального напряжения щелочных
аккумуляторов (Ni-Cd, Ni-MH). Но это всего лишь терминологическая путаница.
Начальное напряжение элементов под нагрузкой быстро уменьшается, и
большая часть разряда осуществляется при напряжении в диапазоне 1,2-1,1 В, в
то время как номинальное напряжение аккумулятора - это, по определению, его
напряжение в средней части разрядной кривой. Поэтому большая часть разряда
аккумулятора при такой же нагрузке осуществляется при более высоком
напряжении (примерно на 50-100 мВ).
Главные проблемы при организации эксплуатации вторичных химических
источников тока (аккумуляторов), решение которых определяет эффективность
их функционирования и длительный срок службы:
‒
обеспечение эффективного заряда
‒
обеспечение ресурсосберегающих условий работы и хранения
‒
выполнение необходимых профилактических действий.
Способы заряда аккумуляторов имеют особенности, определяемые
природой протекающих в них процессов.
На рисунке 1.7 изображены основные стратегии заряда (изменения тока в
процессе заряда), которые применяются при заряде аккумуляторов разных
систем, и характер изменения напряжения источника тока.
Стремление
к
ускорению
процесса
заряда
естественно
и
при
использовании аккумуляторов для бытовой аппаратуры, и тем более для
аппаратуры, работающей в производстве. При эксплуатации выбранного
источника тока, нужно прежде всего учитывать, какие возможности обеспечены
технологией производства аккумулятора, используемой данной компанией, и
оговорены в документации. Гарантированный срок службы может быть
обеспечен только при соблюдении всех рекомендаций и ограничений.
21
Рисунок 1.7 – Методы заряда аккумуляторов: а - при постоянном токе;
б - при снижающемся токе; в - при ступенчатом изменении тока; г - при
постоянном напряжении; д, е - комбинированные способы
Зарядные характеристики никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов
при заряде в стандартном режиме (током 0,1 С в течение 14-16 ч) приведены
в cоответствующей статье, особенности заряда никель-металлгидридных (NiMH) - в статье про Ni-MH аккумуляторы. Заряд производится в интервале
температур от 0 до +50 °С, наиболее эффективно процесс идет в более узком
интервале температур: от +10 до +40 °С.
При низкой температуре заряд проходит при более высоком
напряжении конца заряда, чем обычно (до 1,7 В). При температуре ниже 0 °С
аккумулятор заряжают очень маленькими токами, порядка 0,02 С. Токи
большей величины могут быть применены только для аккумуляторов серий,
разработанных для быстрого заряда. В этом случае аккумуляторы на первых
минутах разогреваются, и условия заряда улучшаются.
Ускорение процесса заряда щелочных аккумуляторов постоянным
током (гальваностатический режим заряда) стало возможным как в
результате модернизаций самих аккумуляторов, приведших к созданию
аккумуляторов с тонкими электродами и плотной рулонной сборкой пакета
электродов, так и благодаря исследованию возможности контроля процесса
при больших его скоростях и успехам электронной техники, позволившим
осуществить этот контроль.
22
Для значительной части современных щелочных аккумуляторов
допускается ускоренный заряд: током 0,3 С с контролем по времени (но не
более 4 ч). Потребность уменьшения степени перезаряда при таком режиме
заряда связана с более быстрым повышением давления в аккумуляторе в
конце процесса, так как скорость выделения кислорода повышается, а
скорость переноса его к отрицательному электроду и поглощения остается
практически неизменной. Разрядная емкость аккумулятора при указанных
плотностях тока заряда не понижается. Для аккумуляторов с пакетом
электродов в виде рулона допускают также и быстрый заряд в течение 1 ч,
иногда меньше, но при обязательном специфическом контроле процесса.
Заряд в ускоренном режиме допускается в интервале температур от +5 до +50
°С. Быстрый заряд в течение 1 ч эффективен при температуре от +10 до +40
°С.
Нужно
аккумуляторов
отметить,
что
выдерживают
многие
современные
достаточно
типы
длительный
щелочных
перезаряд
стандартными токами заряда (0,1С) без повреждения, поэтому их можно
заряжать и при наличии остаточной емкости. Но систематические
перезаряды существенно сокращают срок их службы. Поэтому, если нет
уверенности в полном исчерпании емкости аккумулятора, перед зарядом
иногда целесообразно разрядить его до напряжения 1 В/ак. Процесс
переподготовки при этом удлиняется. Однако доразряд перед каждым
зарядом не только мало удобен в эксплуатации, но и вреден, поскольку
приводит к сокращению срока службы.
Иногда аккумуляторные батареи снабжаются индикатором, который
должен
обеспечивать
пользователю
информацию
о
состоянии
ее
заряженности. Информация эта может быть получена при оценке уровня
напряжения или при вычислении баланса зарядной и разрядной емкости. В
обоих случаях точность невелика, и индикатор скорее создает иллюзию
знания состояния заряженности, чем отражает истинную ситуацию.
Повысить точность индикации состояния не представляется возможным из-за
23
ограничений,
диктуемых
самим
аккумулятором.
Оценка
состояния
заряженности батареи по ее напряжению не может быть выполнена точно,
так как у большинства современных источников тока напряжение мало
меняется вплоть до исчерпания 80-90% емкости. Оно зависит от
температурных условий и в процессе циклирования аккумулятора меняется.
Если же контролируется баланс зарядной и разрядной емкостей, то нужно
помнить, что оценить их при интегрировании тока нетрудно, но коэффициент
отдачи по емкости меняется как в зависимости от тока нагрузки и
температурных условий, так и от наработки аккумуляторной батареи.
Возможен другой подход к проблеме переподготовки: при неизвестной
остаточной емкости перезаряжаемого источника тока сообщить ему при
заряде ровно столько энергии, сколько нужно для достижения состояния
полной заряженности аккумулятора при любой степени его деградации.
Главная проблема, которая возникает при таком подходе, состоит в поиске
параметра, измерения которого дали бы возможность с достаточной
точностью оценить это состояние.
В процессе заряда герметичных щелочных аккумуляторов изменяется
несколько параметров: напряжение, температура, внутреннее давление.
Характер этих изменений в процессе заряда герметичного никель-кадмиевого
аккумулятора покачан на рис. 2.
Рисунок 1.8 – Изменение характеристик герметичного никелькадмиевого аккумулятора при заряде
24
Эти параметры обеспечивают разную чувствительность и имеют
разные ограничения при использовании. Характер изменения указанных
параметров у никель-металлгидридного аккумулятора аналогичен, но Ni-MH
аккумуляторы более чувствительны к перегреву при перезаряде.
После быстрого заряда аккумулятор обычно рекомендуется перевести в
режим заряда током 0,03-0,05 С, который позволит безопасно дозарядить его.
Такой же режим используется и для постоянного подзаряда с целью
компенсации саморазряда, если аккумулятор не используется сразу для
разряда на нагрузку. Но не следует долго оставлять аккумулятор в этом
режиме, так как это способствует сокращению его срока службы.
Для работы в режиме непрерывного подзаряда даже при повышенной
температуре
многие
компании
разработали
специальные
серии
высокотемпературных никель-кадмиевых аккумуляторов, которые несколько
лет способны работать в буферном режиме с основным источником питания.
Также рекомендуется другой компенсационный заряд: импульсным
режимом токами в диапазоне 0,1-1 С. Ток 0,1 С должен протекать 1 ч в сутки,
ток 1 С - в течение 5-6 мин каждые сутки. Такой режим много раз был
проверен в лабораторных условиях и является наиболее дешевым способом
компенсации саморазряда. Он кажется наиболее целесообразным с точки
зрения уменьшения влияния чрезмерного насыщения кислородом, миграции
кадмия и роста дендритов. Но это несколько более трудно осуществимый
режим эксплуатации. Для заряда источников тока разных электрохимических
систем с водным электролитом применяются и разнообразные стратегии
нестационарного заряда, которые отличаются от регламентированных
производителями, но во многих исследованных случаях обеспечивают
улучшение эксплуатационных характеристик источников тока.
Интерес к таким методам заряда возник давно, когда было показано,
что
при
осаждении
и
кристаллизации
металлов
для
создания
мелкозернистого осадка, при котором обеспечивается большая рабочая
25
поверхность электродов, могут быть использованы токи промышленной
частоты.
К нестационарным способам могут быть отнесены различные методы
импульсного (пульсирующего) заряда. Влияние пульсирующего тока
сказывается не только на формировании структуры осадка, но более всего на
ходе побочных процессов при заряде химических источников тока с водным
электролитом, т. е. оно особенно заметно в конце заряда и при перезаряде.
Паузы
между
импульсами
тока
обеспечивают
снижение
выделения
кислорода на положительном электроде (за счет снижения поверхностного
потенциала и выравнивания потенциала в его поровом пространстве) и
улучшают условия его поглощения на отрицательном электроде. Это
позволяет существенно увеличить средний ток заряда и сократить время
заряда.
Такой
режим
заряда
способствует
понижению
скорости
деградационных процессов в герметичном аккумуляторе.
Амплитуда, частота следования и скважность импульсов могут быть
либо неизменными на протяжении всего зарядного процесса, либо
изменяться в зависимости от степени заряженности аккумулятора. Учитывая
особенности
протекания
электрохимических
процессов
в
поровом
пространстве электрода, характер и скорость изменения концентрации
электролита вблизи его поверхности, повышение эффективности заряда при
пульсирующем токе обеспечивают за счет снижения к концу заряда (при
повышении зарядного напряжения) амплитуды импульсов или увеличения
длительности пауз.
Наложение разрядного импульса в паузе между зарядными, приводит к
режиму асимметричного тока. В целом, параметров, которые при режиме
заряда асимметричным током могут регулироваться независимо, много:
амплитуда и длительность импульсов обеих полярностей, форма импульсов,
частота их следования, продолжительность паузы между ними. Наилучшие
параметры процесса заряда реальных аккумуляторов могут быть найдены
26
только на основании детального изучения влияния всех параметров
нестационарного режима на пористые электроды и аккумулятор как систему.
Обширные
исследования
продемонстрировали,
что
при
нестационарных режимах заряда амплитуда зарядных импульсов определяет
возможность эффективного заряжения активной массы положительного
электрода, частота определяет проработку в глубь его пористой структуры,
амплитудные и временные характеристики разрядных импульсов действуют
на
глубину
его
деполяризации
и
возможность
вести
основной
токообразующий процесс без побочного практически до конца заряда.
Рассматриваются два этапа заряда. В начале заряда степень окисления
изменяется по глубине и кислород еще не выделяется. Разрядный импульс
обеспечивает более равномерное распределение процесса заряда по всей
толщине электрода. На втором этапе на поверхности электрода происходит
интенсивное образование кислорода, а в глубине его продолжается заряд
активной массы. В этот период разрядный импульс тормозит выделение
кислорода и тем самым содействует более равномерному окислению
активной массы по глубине электрода.
Исследование особенностей фазовых превращений в цикле зарядаразряда дает основание предположить, что после разрядного импульса
целесообразно иметь некоторую паузу. Исследования показали также, что
важна не только величина зарядного импульса, но и скорость его нарастания:
при больших скоростях образование кислорода происходит позже. Поэтому
прямоугольные импульсы могут быть более результативными, чем другие.
Однако,
проблема
рациональности
применения
отрицательных
импульсов в зарядном процессе не раз обсуждалась зарубежными
специалистами. Дискуссия началась еще в 1960-х годах после активной
пропаганды этого режима для быстрого заряда никель-кадмиевых батарей
владельцем
соответствующего
патента
США.
Компания
GENERAL
ELECTRIC долгое время изучала этот режим без видимых положительных
эффектов и отказалась от его внедрения. Тем не менее заряд с импульсами
27
разрядного
тока
предлагается
рядом
производителей
зарядного
оборудования.
Например,
для
металлокерамическими
никель-кадмиевого
электродами
были
аккумулятора
предложены
два
с
варианта
ускоренного режима заряда знакопеременным током:
1. Режим наименьшего времени заряда (10-20 мин):
 амплитуда зарядного импульса Iзар.имп.=(5-8)С;
 соотношение амплитуд Iраз.имп./ Iзар.имп.= 5-6;
 длительность зарядного импульса - 0,2 с, разрядного - 0,01 с.
2. Режим наименьшего газовыделения (25-35 мин): I зар.имп.=(2,8-3,5)С,
все прочие параметры и соотношения - те же.
Необходимо отметить, что указанные параметры режима заряда не
следует рассматривать как оптимальные для всех щелочных аккумуляторов,
поскольку эффективный заряд аккумуляторов определяется не только их
электрохимической природой, но и особенностями их конструкции, а также
достигнутыми в процессе производства параметрами структуры электродов.
Отметим, что за последнее десятилетие герметичные щелочные
аккумуляторы значительно изменились. Тонкие электроды и рулонная сборка
пакета электродов аккумуляторов позволяют применять для большей их
части быстрый заряд постоянным током 1С, а иногда и более большим, а
также импульсным с частотной или амплитудной модуляцией.
1.7
Качественная оценка деформаций лапки
Ввиду того что движитель воспринимает нагрузки, возникающие на
обильный робот во время выполняемых операций, он подвержен различным
деформациям. С помощью Компас был создан профиль лапки МР, рисунок
1.9. Затем с помощью средств Компас эта модель была преобразована в
формат IGES.
28
Рисунок 1.9 – Профиль лапки МР
Формат данных IGES (Initial Graphics Exchange Specification - исходная
спецификация графического обмена) представляет собой нейтральный
формат, который используется для описания геометрии во многих
программах, предназначенных для компьютерного проектирования.
Файлы формата IGES являются наиболее предпочтительными для
передачи моделей из таких программ в пакет ANSYS, если только
пользователь не располагает транслятором прямого обмена. Программа
ANSYS может как считывать, так и записывать данные в формате IGES.
При считывании IGES-файла программа ANSYS преобразует текст и
графику в разные формы. Если объекты IGES-файла не распознаются
программой, они игнорируются.
ANSYS — универсальная программная система конечно-элементного
анализа.
Метод конечных элементов (МКЭ) является сеточным методом,
предназначенным для решения задач микроуровня, для которого модель
объекта задаётся системой дифференциальных уравнений в частных
производных с заданными краевыми условиями.
В среде программы ANSYS 12 модель лапки МР была разбита на
элементы PLANE42 обазующие сетку, рисунок 1.10.
29
Элемент PLANE42 используется для двухмерного моделирования
конструкций с объемным НДС. Элемент может использоваться в качестве
плоского (с плоским напряженным или плоским деформированным
состоянием) или в качестве осесимметричного элемента.
Затем были заданы контактные пары, определено закрепление и
приложены нагрузки.
Рисунок 1.10 – Модель лапки, разбитая на элементы PLANE42
30
2
2.1
РАСЧЕТ РЕДУКТОРА
Кинематический расчет редуктора
2.1.1
Расчет передаточного числа редуктора
Передаточное число редуктора:
Исходя из значения передаточного отношения и размера колеса,
целесообразно использовать двухступенчатый планетарный редуктор, т.к. с
помощью него легко добиться больших передаточных отношений при
достаточно небольших размерах.
Передаточные отношения первой и второй ступеней примем равным 6
и 5, соответственно.
2.1.2
Кинематический расчет первой ступени ПР
- число зубьев мцк;
- число зубьев бцк;
- число зубьев сателлита;
Условие соосности:
,
где
и
- углы зацепления передачи внешнего и внутреннего
зацеплений.
Найдем
и
:
,
где
и
- смещения шестерни и колеса, соответственно.
Зубчатое зацепление «мцк – сателлит»:
,
31
=>
Зубчатое зацепление «бцк - сателлит»:
,
=>
=> Условие соосности выполняется.
Условие сборки передачи:
,
где
- число сателлитов.
Условие сборки выполняется.
2.1.3
Кинематический расчет второй ступени ПР
- число зубьев мцк;
- число зубьев бцк;
- число зубьев сателлита;
Условие соосности:
,
где
и
- углы зацепления передачи внешнего и внутреннего
зацеплений.
Найдем
и
:
,
где
и
- смещения шестерни и колеса, соответственно.
32
Зубчатое зацепление «мцк – сателлит»:
,
=>
Зубчатое зацепление «бцк - сателлит»:
,
=>
=> Условие соосности выполняется.
Условие сборки передачи:
, где
- число сателлитов
Условие сборки выполняется.
2.2
Силовой расчет
2.2.1
Допускаемые напряжения при расчете на контактную
выносливость
-
предел
контактной
выносливости
- Коэффициент долговечности:
- эквивалентное число циклов нагружения
- коэффициент эквивалентности
- число циклов перемены напряжений зубьев (для мцк)
33
- число сателлитов
- относительная частота вращения ведущей центральной
шестерни
и
- частоты вращения мцк и водила, соответственно
- число циклов перемены напряжений зубьев (для
сателлитов)
- число нагружений зуба за один оборот
- относительная частота вращения сателлита
- коэффициенты, учитывающие влияние шероховатости и
влияние окружной скорости, соответственно
- коэффициент запаса прочности
МЦК первой ступени ПР. В этом случае нагрузка, действующая на
зубчатое зацепление постоянна.
Сателлиты первой ступени ПР. В этом случае нагрузка, действующая
на зубчатое зацепление постоянна.
34
Допускаемое напряжение передачи:
=>
- верно.
МЦК второй ступени ПР. В этом случае нагрузка, действующая на
зубчатое зацепление постоянна.
Сателлиты второй ступени ПР. В этом случае нагрузка, действующая
на зубчатое зацепление постоянна.
Допускаемое напряжение передачи:
35
=>
2.2.2
- верно.
Допускаемые напряжения при расчете на изгибную
выносливость
- придел выносливости
- Коэффициент долговечности:
- эквивалентное число циклов нагружения
- коэффициент эквивалентности
- число циклов, соответствующее перелому кривой
усталости
- коэффициенты, учитывающие влияние шероховатости
и двухстороннего приложения нагрузки
- коэффициент запаса прочности
МЦК первой ступени ПР.
Сателлиты первой ступени ПР
МЦК второй ступени ПР.
36
Сателлиты второй ступени ПР.
2.2.3
Расчет зубчатого зацепления ПР
- предварительное значение межосевого расстояния
K=6
- передаточное число рассчитываемой пары колес
- вращающий момент на валу ведущего мцк
- окружная скорость
- частота вращения мцк
- межосевое расстояние
- коэффициент неравномерности распределения нагрузки
между сателлитами
- число сателлитов
- коэффициент ширины венца колеса
- коэффициент нагрузки
- ширина бцк
- ширина венца сателлита
- ширина мцк
- модуль зацепления
37
- уточнено значение межосевого расстояния
- делительный диаметр мцк
- делительный диаметр сателлита
- делительный диаметр бцк
Первая ступень.
,
=> 9 степень точности
- коэффициент неравномерности распределения
нагрузки после приработки, где
-коэффициент
неравномерности распределения нагрузки в начальный период работы
- коэффициент распределения нагрузки между
зубьями
, где
, удовлетворяет условию
, принимаем модуль зацепления
38
Вторая ступень.
,
=> 9 степень точности
- коэффициент неравномерности распределения
нагрузки после приработки, где
-коэффициент
неравномерности распределения нагрузки в начальный период работы
- коэффициент распределения нагрузки между
зубьями
, где
, удовлетворяет условию
, принимаем модуль зацепления
2.2.4
Проверка зубьев по контактным напряжениям
39
, где
МЦК первой ступени.
Сателлит первой ступени.
МЦК второй ступени.
Сателлит второй ступени.
2.2.5
Проверка зубьев по напряжениям изгиба
,
,
- окружная сила
МЦК первой ступени.
Сателлит первой ступени.
МЦК первой ступени.
40
Сателлит первой ступени.
2.3
Расчет соединений
- касательные напряжения, где
, где
2.3.1
- полярный момент сопротивления
Расчет клеевых соединений
Соединение «ротор - вал».
Выбираем клей ВК-9 (
)
- допускаемое напряжение сдвига, где
- коэффициент
безопасности
Клей ВК-9 подходит.
Соединение «водило - вал».
Выбираем клей ВК-9 (
)
- допускаемое напряжение сдвига, где
- коэффициент
безопасности
Клей ВК-9 подходит.
41
2.3.2
Расчет сварных соединений
Соединение «фланец – корпус»
- допускаемое напряжение сварного шва, где
Сварной шов выдержит нагрузку.
3
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ
ПО
ТЕХНОЛОГИИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ «ЛИДАР»
Необходимо
разработать
плату
излучателя
на
основе
полупроводникового лазера Osram SPL S4L90A_3 A01 с 4 излучающими
чипами. Момент начала лазерного импульса задается с внешнего устройства
single ended прямоугольным сигналом c активным уровнем 1.8 В
длительностью 1 мкс и частотой 100 кГц (рассчитан на высокоомную
нагрузку).
Выбор
активного
излучающего
чипа
осуществляется
в
параллельном коде двухбитной шиной с внешнего устройства single ended
прямоугольными сигналами с активным уровнем 1.8 В (в один момент
времени активен только один излучающий чип).
Плата должна удовлетворять следующим требованиям:
‒
излучающие поверхности чипов расположены не далее 0.5 мм от
края платы;
‒
импульсный ток излучающих чипов 40 А;
‒
длительность оптического импульса не более 2 нс FWHM;
‒
к плате с внешнего устройства подводится не более двух
внешних напряжений питания (можно выбрать необходимые уровни);
42
‒
плата формирует выходной электрический сигнал, повторяющий
форму импульса тока излучающего чипа для внешних устройств уровнем 1.8
В (нагрузка 50 Ом);
‒
плата имеет не более 4 слоев, габариты платы не превышают
50х30 мм, толщина не более 2 мм, общая высота платы с компонентами не
более 6 мм, предпочтителен односторонний монтаж компонентов.
Если присмотреться к картинке, получаемой ЛИДАРОМ, то будет
видно, что она состоит из точек. Так вот каждая точка - это целый цикл
измерения в одной точке расстояния до объекта, который происходит по
следующему алгоритму: испускание пучка света → отражение света →
улавливание отраженного света фотоприемником → вычисление расстояния
до объекта через время прохождения луча.
Рисунок 3.1 – Работа ЛИДАР
Для разработки платы введем несколько постулатов:
‒
Столь малая длительность оптического импульса обеспечит
определение гораздо большего максимального расстояния и повысится
точность самого устройства.
‒
будет
Так как габариты платы строго ограничены, полагаю, что плата
устанавливаться в реальное транспортное средство, а не в
43
лабораторный стенд. Как следствие, компонентная база должна быть
квалификации AEC (Automotive).
‒
Формирование сигнала, которое повторяет форму импульса тока
излучающего чипа необходимо для косвенного контроля мощности
испускаемого импульса.
‒
Сигналы уровнем 1.8 В характерны для управляющих FPGA
устройств.
Структура излучателя представлена на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 – Структура излучателя
Система питания состоит из двух преобразователей напряжения. 5 В
DC/DC собран на импульсном понижающем преобразователе для большей
отдачи импульсного тока в микросхемы управления (в частности драйвер
управляющего ключа). За счет этого решения также обеспечивается высокий
КПД схемы.
44
Рисунок 3.3 – Преобразователь 5 В DC/DC
Второй – 1.8 В LDO питает микросхему трансляции уровня логических
сигналов управления 1.8 В -> 5 В.
Рисунок 3.4 - 1.8 В LDO
Трансляция уровня (Level Translator) - используется для приведения
сигналов выбора активного чипа, а также сигнала начала импульса к уровню
5В, так как вся дальнейшая периферия управляется 5-вольтовыми сигналами.
45
Ри
сунок 3.5 – Трансляция уровня (Level Translator)
Декодирование (Decoder), рисунок 2.6 служит для коммутации
определенного канала из четырех используется декодер. Выход имеет
активный низкий уровень, так что для управления схемой коммутации,
которая управляется высоким уровнем, используется инвертор. Входы
инвертора подтянуты к шине 5В для исключения ложных срабатываний при
включении схемы/аварийных режимов работы схемы.
46
Рисунок 3.6 – Декодер
Схема управления ключом (GaNFET Driver), рисунок 3.7, стала потому
что в процессе поиска информации стало ясно, что обеспечить требуемую
скорость открытия транзистора для пропускания короткого импульса тока
через лазер сможет только транзистор, у которого максимальный di/dt (т.е.
скорость открытия транзистора должна быть очень высока). Для схем
управления лазерами с длительностью оптического импульса более 10нс
обычно
использовались
кремниевые
полевые
транзисторы.
Полевые
транзисторы на основе нитрида галлия (GaNFET) позволяют достичь
ширины импульса 2нс, так как по сравнению с кремниевыми транзисторами
имеют большую скорость открытия, и меньшую емкость затвора. Таким
образом, накачка импульса драйвером в затвор будет происходить за
меньшее время, что быстрее выведет транзистор в рабочий режим,
способный пропустить через сток транзистора 40А за время 2нс.
47
Поэтому в качестве переключающего элемента был выбран GaNFET
EPC2214 фирмы EPC, обеспечивающий максимальный импульсный ток
более 40 А, а так же имеющий автомобильную сертификацию. В качестве
драйвера был выбран LMG1025-Q1 от производителя Texas Instruments,
обеспечивающий управление этим транзистором в полосе узких импульсов.
Рисунок 3.7 – Схема управления ключом
Укротитель импульсов необходим потому что так как ширина
прямоугольного импульса с выхода FPGA имеет фиксированное значение
1мкс, необходимо укоротить импульс до безопасных для самого лазера
величин. Даже если бы FPGA имела бы возможность переключения
импульса в 2 нс, было бы проблематично обеспечить целостность данного
сигнала на пути к драйверу.
Так как используется релаксационная схема, которая самостоятельно
формирует импульс величиной 2нс, совершенно необязательно формировать
короткий импульс величиной в 2 нс укоротителем импульсов. За базис было
взято значение 5-9нс, в расчет приняты возможные отклонения номиналов
схемы укоротителя.
Схема построена на одном из двух оставшихся инвертеров в
микросхеме 6-канального инвертера для сигналов декодирования.
Неинвертированный сигнал длительностью 1мкс подается на вход IN+
драйвера управления (активный уровень высокий). Инверсный же сигнал
заводится на выход IN- микросхемы драйвера (активный уровень низкий).
Схема управления драйвером даст сигнал на открытие управляющего
48
транзистора только в том случае, если на входе IN+ будет высокий уровень, а
на входе IN- - низкий. За счет фильтра нижних частот R10-C12, фронт
неинвертированного управляющего сигнала будет медленно нарастать, что
компенсирует задержку на инвертере импульса, подающегося на вход IN-.
Затем, комбинация входных порогов срабатывания микросхемы драйвера так
же приведет к открытому состоянию и затем закрытому через несколько
наносекунд. Схема была промоделирована в LTSpice. Значение конденсатора
C18 может быть увеличено до 100 пФ, что приведет к уменьшению ширины
результирующего импульса до 3-5 нс в реальном устройстве.
Так как сам полупроводниковый лазер имеет общий катод, то
коммутацию каждого из четырех каналов лазерного диода можно было бы
делать со стороны анода, используя четыре p-канальных транзистора (и
соответствующих драйверов верхнего плеча). Проблема заключается в том,
что компонентной базы для данного применения нет. Еще одной проблемой
было бы то, что p-канальные транзисторы нормально открытые, то есть через
них течет ток в отсутствии управляющего сигнала на затворе, что мешает
надежности устройства при наличии напряжения на силовой части и
отсутствующем напряжении на слаботочном разъеме.
В качестве устройства коммутации выбрано твердотельное реле, или
аналоговый
ключ.
Дополнительной
особенностью
является
то,
что
сопротивление его в открытом состоянии равна 10 Ом, что позволяет не
использовать дополнительные компоненты для ограничения тока.
В схемах управления полупроводниковым лазером применяется
следующая структура, рисунок 2.8.
49
Рисунок 3.8 – Схема управления полупроводниковым лазером
Процесс испускания импульса состоит из двух фаз.
‒
Заряд накопителя энергии.
‒
Разряд накопителя через лазерный диод и измеритель тока.
Для
формирования
короткого
импульса
необходимо
запасти
достаточный заряд, чтобы при открытии транзистора он прошел через
кристалл лазера. Для того, чтобы запасти энергию обычно используют
конденсатор, или несколько конденсаторов, подключенных параллельно. В
системах управления лазером обычно используют два вида организации
хранения запасенной энергии. Первый путь – запасти большое значение
заряда в конденсаторы большой емкости.
В период, когда транзистор открыт и через него течет ток, энергия
почти не будет падать, а, следовательно, и напряжение на конденсаторе.
Транзистор должен просто включаться и выключаться в заданный интервал
времени для ограничения ширины импульса. Однако эта схема ограничена по
скорости
переключения
импульса
и
его
ширине.
Задача
передачи
ультракоротких импульсов управления сложна и связана с искажением
50
сигнала, а также варьированием ширины импульса. Другой опцией хранения
энергии будет выбор конденсатора малой емкости. В момент открытия
транзистора, конденсатор быстро отдает заряд и почти полностью
разряжается, генерируя короткий импульс, мощность и время разряда
которого подходят для использования в рамках требований.
В идеальном случае конденсатора емкостью около 1.2 нФ хватит для
того, чтобы сгенерировать импульс шириной чуть более 600 пикосекунд при
результирующем токе 40 А. Причем, длительность сигнала, управляющего
GaNFETом, гораздо больше - 11 нс, рисунок 3.9.
Рисунок 3.9 – Генерация импульса
51
Так как в реальной жизни есть паразитные составляющие (в нашем
случае, особенно, индуктивные), то это будет влиять на форму, амплитуду и
ширину импульса.
Смоделируем
процесс,
рисунок
3.10,
добавив
паразитные
индуктивности компонентов. Ширина импульса выросла до 1.2 нс, вместе с
тем амплитуда тока упала до 29 А при таком же напряжении питания (за
базис взято значение 27В), так как в цепях с индуктивностями ток не может
меняться столь быстро, как в идеальной, что не дает конденсатору передать
весь заряд в короткое время.
Рисунок 3.10 – Моделирование процесса с добавлением паразитных
индуктивностей
52
Как следствие, необходимо увеличить емкость конденсатора для того,
чтобы достичь величины тока через диод в 40А. Значение должно быть около
3-5
нФ.
Выбран
однослойный
конденсатор
из-за
его
частотных
характеристик и низкого ESR (паразитное последовательное сопротивление).
Конечно, еще очень многое будет зависеть от правильности топологии платы
и выбранного стека. Остановимся на величине 4.7 нФ. Теперь ширина
импульса при токе 40 А равняется 1.9 нс, рисунок 3.11.
Рисунок 3.11 – Моделирование окончательного решения генератору
импульса
53
Рисунок 3.12 – Принципиальная схема формирования короткого импульса
Огромной проблемой подобного рода схем управления коротким
импульсом является измерение тока, проходящего через диод. Привычные
методы измерения тока не работают в данных условиях. Этому две причины:
1.1
Сенсору требуется высокая частота пропускания, так как
скорость возрастания импульса тока (di/dt) превышает 10 А/нс;
1.2
Системы с GaNFET транзистором очень чувствительны к
паразитном составляющим, следовательно вводимая паразитная индукция
должна быть менее 1 нГн для того, чтобы сохранить исходную форму тока.
В низкочастотных схемах обычно применяют токовый шунт на истоке
транзистора. Данное решение не подойдет в силу того, что паразитные
эффекты самого шунта неблагоприятно воздействуют на схему, при этом
падает максимальный ток через диод, увеличивается время импульса,
появляются большие помехи в линиях после открытия и закрытия
транзистора. Лучший из найденных коммерчески доступных токовых шунтов
54
имел индуктивность 2 нГн, что в корне не подходит для текущей схемы.
Опять же, их полоса пропускания ограничена 200 МГц.
Коаксиальные шунты, например, хоть и имеют полосу пропускания в
районе 2 ГГц, все же не подходят в силу громоздкости и паразитной
индуктивности около 2 нГн. Несмотря на то, что ведутся исследования,
целью которых стоит разработать SMD коаксиальные шунты, коммерческих
образцов все еще нет на рынке.
Сенсоры,
базирующиеся
на
эффекте
индукции
(токовые
трансформаторы), такие как, к примеру, катушка Роговского, не подходят по
размерам и частоте пропускания (менее 50 МГц) для текущего применения.
Датчики, основанные на эффекте Холла ограничены по полосе пропускания
около 1 МГц, а также подвержены магнитным помехам.
В предложенной реализации токового сенсора был использован другой
принцип измерения тока - это измерять напряжение разряда конденсатора.
Так как ток является дифференциалом напряжения по времени, или I=-dU/dt,
то
измеряя
напряжение
разряда
конденсатора
в
момент
открытия
транзистора, можно конвертировать его в ток. Принципиально, это можно
сделать с помощью схемы дифференциатора на операционном усилителе.
Дифференциатор построен на базе трансимпедансного усилителя
(операционного усилителя с токовой обратной связью), за счет чего
возможно
достичь
приемлемых
частотных
характеристик
благодаря
быстродействию данных устройств.
Для задания был выбран счетверенный трансимпедансный усилитель
LTC6561, применяемый для лавинных фотодиодов в приемнике, только
входной сигнал в данном случае - это напряжение разряда. Как можно
увидеть, рисунок 3.13 частота среза спроектированного усилителя – 1,15 ГГц.
55
Рисунок 3.13 - Частота среза спроектированного усилителя – 1,15 ГГц
Соответственно, если подать на его вход напряжение конденсатора, то
видим, рисунок 3.14, что форма совпадает с формой тока на диоде:
56
Рисунок 3.14 - Форма совпадает с формой тока на диоде
Уровень пиков напряжения на выходе усилителя также зависит от
пиков тока, что подтверждает целесообразность выбранного решения,
рисунок 3.15.
Рисунок 3.15 – Зависимость напряжения от пиков тока
57
Рисунок 3.16 – Схема измерения тока
Разработка печатной платы велась, принимая во внимание тот факт, что
сама плата так же является компонентом электрической схемы, внося
паразитные эффекты в высокочастотную часть. Негативные воздействия
были минимизированы так, чтобы характеристики устройства были
максимально приближены к характеристикам модели.
Структура печатной платы выбрана по следующим рекомендациям:
‒
Сигнальный
слой
всегда
сопровождается
слоем
меди,
расположенным как можно ближе к нему. Слой отражения уменьшает
площадь петли, образованной прямым и возвратными токами.
58
‒
Слои питания и земли располагаются как можно ближе друг к
другу для обеспечения максимальной взаимной емкости и уменьшения
уровня шумов по цепи земли.
Рекомендации о том, что необходимо размещать высокоскоростные
цепи на внутренних слоях, расположенных между сплошными слоями,
которые будут выступать в качестве экранов, не были приняты во внимание,
так как по условиям ТЗ в плате должно быть не более 4-х слоёв, а также была
цель минимизации переходных отверстий в силовой части.
Наличие
сплошных
плоскостей
земли
и
питания
упрощает
подключение компонентов схемы, а также уменьшает индуктивность и
импеданс, что позволяет работать с высокими рабочими частотами и снизить
уровень собственных шумов.
Размеры плоскости земли обязательно должны превышать размеры
плоскости питания по всем направлениям для минимизации краевых полей.
Дальнейшее снижение достигнуто за счет использования развязывающей
стенки из переходных отверстий по внешнему периметру полигонов VCC1,
VCC2, +5V.
Так как в сигнальных цепях переходные отверстия представляют собой
индуктивность порядка 0,5 нГн, то целью обеспечения оптимальной
топологии будет уменьшение количества переходных отверстий, особенно в
силовых цепях. Поэтому размещение компонентов целиком выполнено на
верхнем слое, компоненты расположены таким образом, чтобы избегать
перекрестий сигнальных линий.
Стек можно было бы пересмотреть после сборки прототипа, если были
бы выдвинуты дополнительные требования к ЭМС совместимости.
Исходя из этого, структура платы будет следующая:
‒
Сигнальный слой - 1;
‒
Земляной слой на слое спроектировано три полигона - PGND-
силовой, AGND-аналоговый, SGND-сигнальный, или цифровой);
‒
Слой питания, два полигона силовой части и цифровой;
59
‒
Сигнальный слой - 2;
Согласование земляных полигонов: аналоговая земля соединяется в
одной точке с сигнальной через резистор 0 Ом, силовая часть соединяется с
сигнальной в одной точке одним выводом истока управляющего транзистора
VT1.
Согласование же аналоговой земли и силовой для минимизации
курсирования обратных токов в обход пути протекания высокочастотных
сигналов выполнено посредством конденсатора 0,1 мкФ.
Рисунок 3.17 – Печатная плата
60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В
современном
мире
все
большее
распространение
получает
использование мобильных роботов. Это связано с тем, что стремительно
совершенствуются сами конструкции роботов, алгоритмы управления и
мощности устройств управления. Использование мобильных роботов
позволяет
проводить
широкий
спектр
различных
работ,
исключая
вмешательство человека. Это играет огромную роль, когда появляется
необходимость производить работы в среде, враждебной по отношению к
человеку.
Таким образом, количество различных мини-роботов, выполняющих те
или иные работы, постоянно растет. Но для внедрения новых, более удобных,
дешевых
и
производительных
роботов
необходимо
постоянно
совершенствовать принципы построения таких мехатронных систем, частью
которых эти роботы и являются.
Мехатронные системы и модули вошли как в профессиональную
деятельность, так и в повседневную жизнь современного человека.
Сегодня они находят широкое применение в самых различных
областях:
‒
автомобилестроение, промышленная и сервисная, периферийные
устройства компьютеров и офисная техника:
‒
принтеры,
сканеры,
CD-дисководы,
копировальные
и
факсимильные аппараты;
‒
производственное,
технологическое
и
измерительное
оборудование;
‒
домашняя
бытовая
техника:
стиральные,
швейные,
посудомоечные машины и автономные пылесосы;
‒
медицинские системы и спортивные тренажёры;
‒
авиационная, космическая и военная техника;
‒
микросистемы для медицины и биотехнологии;
61
‒
лифтовое и складское оборудование, автоматические двери в
отелях аэропортах, вагонах метро и поездов;
‒
транспортные устройства, фото- и видеотехника.
Применение ЭВМ и микроконтроллеров, реализующих компьютерное
управление движением разнообразных объектов, является характерной
особенностью мехатронных устройств и систем. Сигналы от разнообразных
датчиков, несущие информацию о состоянии компонентов мехатронной
системы и приложенных к этой системе воздействий, поступают в
управляющую ЭВМ.
Компьютеру отводится ведущая роль в мехатронной системе,
поскольку компьютерное управление даёт возможность достичь высокой
точности и производительности, реализовать сложные и эффективные
алгоритмы управления, учитывающие нелинейные характеристики объектов
управления, изменения их параметров и влияние внешних факторов.
Благодаря этому мехатронные системы приобретают новые качества при
увеличении долговечности и снижении размеров, массы и стоимости таких
систем. Достижение нового, более высокого уровня качества систем
благодаря возможности реализации высокоэффективных и сложных законов
компьютерного управления позволяет говорить о мехатронике как о
возникающей компьютерной парадигме современного развития технической
кибернетики.
В выпускной квалификационной работе была разработана мобильная
платформа
с
системой
позиционирования
ЛИДАР
для
обеспечения
мобильности устройства дезинфекции воздуха и поверхностей. Но сфера ее
применения достаточно широка для обеспе6чения мобильности многих
устройств и аппаратуры в зависимости от предназначения.
62
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.
«Справочник конструктора-машиностроителя», том 2, В.И.
Анурьев, Москва, Машиностроение, 2022 г., 584 с.
2.
Скворцов Ю.В. «Организационно – экономические вопросы, в
дипломном проектирование» Изд-во: «Высшая школа» Москва 2016г.
3.
Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей
машин. – М.: Академия, 2013.
4.
Забавников Н.А. Основы теории транспортных гусеничных
машин. М., «Машиностроение», 2015.
5.
«Курсовое проектирование деталей машин», В.Н.Кудрявцев, Л.:
«Машиностроение»,2013
6.
«Подшипники
качения»
Справочник,
Л.Я.Перель,
М.:
«Машиностроение»,2018
7.
«Организация
и
планирование
машиностроительного
производства», М.И.Ипатов, М.:»Высшая школа», 2018
8.
Ллойд Дж. Системы тепловидения/ Пер. с англ. под ред. А.И.
Горячева. – М.: Мир, 2018.
9.
Соломатин В.А. Оптические и оптико-электронные приборы в
геодезии, строительстве и архитектуре. – М.: Машиностроение, 2013.
10.
Матвеев Ю.Н., СимончикК.К., Тропченко А.Ю., Хитров М.В.
Цифровая обработка сигналов. Учебное пособие по дисциплине «Цифровая
обработка сигналов». – СПб: СПбНИУИТМО, 2013. – 166 с 116
11.
Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая
школа, 2-е издание. - 446 с.
12.
Лебедько Е.Г., Порфирьев Л.Ф., Хайтун Ф.И. Теория и расчет
импульсных и цифровых оптико-электронных систем. Л.: Машиностроение,
1984. 190 с.
63
13.
Соломатин
В.А.
Оценка
точности
наземных
лазерных
сканеров//Известия вузов «Геодезия и аэрофотосъемка». – 2012. - № 5. – С.
110-114.
14.
Кончаловский В.Ю. Цифровые измерительные устройства: Учеб.
пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 2015. - 304 с., ил.
15.
Чураков,
В.Л.
Измерение
временных
интервалов
с
использованием обобщенного нониусного метода [Текст] / В.Л. Чураков //
Известия вузов «Приборостроение». –2017. –№12. – С. 6–10.
16.
Сюй А.В. Лазерные технологии в науке и технике// Бюллетень
научных сообщений, - Дальневосточный государственный университет путей
сообщения (Хабаровск). - № 20. - 2015 г. – С. 55-64.
17.
Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ.— М.: Радио и
связь, 2019. — 504 с. 117
18.
Звелто О. Принципы лазеров: Пер. с англ.— 3-е перераб. и доп.
изд. — М.: Мир, 2020. — 560 с.
19.
Архипов Д. А. и др. Оптимизация рабочих характеристик
твердотельного лазера с диодной накачкой для космических применений. –
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и
оптики, 2016, т. 16, вып. 8, c.1000–1007.
20.
Бачманов М. М. и др. Тенденции развития радиолокационной
аппаратуры и лидарных систем дистанционного зондирования Земли
Российской Федерации. – Космонавтика и ракетостроение, 2014, т. 5, вып.
78,C.22–30.
21.
Погода А. П. и др. Режим пассивной модуляции добротности
твердотельного лазера с многопетлевым резонатором – Письма в журнал
технической физики, 2016, т. 42, вып. 6, C.35–41.
22.
Бурковский Г. В. и др. Малогабаритный Nd: YAG-лазер с
поперечной полупроводниковой накачкой и самонакачивающимся фазовосопряженным многопетлевым резонатором. – Квантовая электроника, 2016,
т. 46, вып.11, c.976–978.
64
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение А
Рециркулятор-облучатель воздуха закрытого типа «HTL-Advansys-17». Технические характеристики
Производительность
Тип
Напряжение-питание
Частота сети
Мощность
Степень защиты IP по ГОСТ 142542015
Бактерицидная эффективность
Длина волны
Источник излучения
Бактерицидный поток лампы
Воздушный фильтр
Применение
Время готовности
Размеры
Вес
Уровень шума (не более)
25 м3/ч.
Закрытый
220 В.
50 Гц.
12 Вт.
IP20
99%
253,7 нм.
Бактерицидная
лампа
Osram/Ledvance/Philips TUV 8
Вт.
2,1 Ф.бк.Вт.
1*G1
Напольное, Настольное
1 с.
60,1 х 8,5 х 8,5 см.
2,1 кг.
30 дБа
66
Приложение Б
Общий вид платформы
67
Приложение В
Компоновка мобильного робота
68
Приложение Г
Мотор редуктор
69
Приложение Д
Мотор редуктор в разрезе
70
Приложение Е
71
Механические характеристики в режиме вентильного двигателя при различных способах управления и включения
секций фаз обмотки статора двухфазного двигателя
Приложение Ж
72
Движитель
Приложение З
73
Схема управления мобильным роботом
74