Устройство управления для наземной транспортировки морских роботизированных систем в условиях тумана и дождя
Проблема учета факторов тумана и дождя при разработке подвижных роботизированных платформ, анализ численных параметров тумана и условий его возникновения. Схема устройства управления тормозной системой на микроконтроллере, оценка надежности устройства.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.07.2017 |
| Размер файла | 672,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Устройство управления для наземной транспортировки морских роботизированных систем в условиях тумана и дождя
Введение
роботизированный микроконтроллер тормозной
Задачи расширения горизонтов познания окружающего мира в настоящее время стали столь сложны, что требуют активного вовлечения робототехнических систем. Подвижные объекты различного базирования: морского, наземного, воздушного и т.д. созданы и показывают хорошие результаты. Однако для перехода на следующий уровень эффективности необходимо отрабатывать групповое взаимодействие различных роботов, как в рамках однотипных групп, так и разных, дополняющих функционал друг друга. В Южном федеральном университете активно ведется разработка морских роботов, подводных и надводных [1-5]. Для их транспортировки к месту выполнения миссии предлагается использовать подвижную роботизированную платформу, описанную в [1,2,6]. Недостатком этой разработки можно считать неприспособленность ее к движению под дождем или снегом, а также в тумане. В связи с этим актуальным является адаптация платформы к сложным погодным условиям, чему посвящена данная статья.
При движении платформы по мокрой дороге в тумане возникает множество сложностей, и одно из них - снижение эффективности тормозных механизмов, что можно исправить добавлением алгоритмов осушения их поверхности в систему управления. При этом для синтеза адекватной модели требуется с достаточной точностью учитывать численные параметры тумана и условия его возникновения. На рис. 1 представлены примеры подвижных роботизированных платформ, используемых для транспортировки грузов.
Рис. 1. - Примеры подвижных роботизированных платформ: Synbotics и Agro J5
Условия, способствующие образованию влажной пленки на тормозных дисках платформы
При положительных температурах туман представляет собой скопление воды в воздухе. При отрицательных температурах воздуха от минус 10°С до минус 15°С туман состоит из смеси капель воды и кристаллов льда, при более низких температурах весь туман превращается в кристаллики льда. Относительная влажность воздуха при туманах превышает 85% и обычно близка к 100 %. Однако при температурах ниже минус 30° относительная влажность воздуха в тумане может быть любой [7].
Туман может быть дымкой, слабым, умеренным или сильным. При дымке дальность видимости более 1000 м, но менее 10 км. В слабом тумане видны предметы, удаленные на 500 - 1000 м, при видимости в пределах 50 -500 м туман считается умеренным, менее 50 м - сильным. В 1см3 сильного тумана насчитывается 500 - 600 капель воды, а слабого 50 - 100 капелек воды, то есть почти в десять раз меньше. Водность умеренных туманов равна 0,05 - 0,1 г/мі, но для плотных туманов может быть значительно выше и достигать 1 - 1,5 г/мі.
Кроме плотности водных частиц, прозрачность тумана зависит от размера капель, радиус которых обычно колеблется от 1 до 60 мкм. Основная масса капель обладает радиусом в 5 - 15 мкм при температуре воздуха выше нуля и 2 - 5 мкм при отрицательной температуре.
Во время тумана капли воды конденсируются на дороге и деталях подвижных роботизированных платформ, в частности на тормозных дисках, что приводит к изменению параметров торможения, надежности и работы устройства в целом. Поэтому необходим мониторинг влажности в пределах от 30% до 100% и температуры от минус 40 до 70° - условиях возникновения тумана и периодическое удаление влаги с тормозных дисков.
Выбор датчиков для мониторинга тумана
Для мониторинга тумана можно использовать датчики влажности, точки росы и температуры. Такие датчики влажности устанавливают в системах контроля климата, в устройствах предотвращения запотевания ветровых стекол и других системах управления двигателем.
Датчики измерения влажности различаются физическими принципами работы и технологиями изготовления. Известны четыре основных типа датчиков влажности: на основе оксидов алюминия и олова, теплопроводящие, резистивные и емкостные.
Емкостные датчики характеризуются высокой надежностью, высоким выходом годных кристаллов, низкой стоимостью, широким рабочим диапазоном. Резистивные датчики являются наиболее дешевыми, но менее точными, чем емкостные. Датчики на основе оксида олова для рассматриваемой области применения характеризует плохая стабильность параметров и плохая взаимозаменяемость. Датчики на основе оксида алюминия обладают узким диапазоном измерения.
Для всех типов датчиков на выходе интегральная схема формирует выходной сигнал (напряжение) с датчика прямо пропорциональный напряжению питания и относительной влажности воздуха. Не останавливаясь подробно на всех видах датчиков, рассмотрим самые перспективные - емкостные. Они могут использоваться как для определения влажности, так и точки росы.
Приращение коэффициента диэлектрической проницаемости емкостного датчика влажности практически линейно зависит от изменения относительной влажности окружающей среды. На каждый процент изменения относительной влажности обычно приходится 0,2-0,5 пФ изменения емкости датчика, при том, что полный диапазон изменений емкости составляет 100 - 500 пФ при 50% влажности и температуре 25°С. Емкостные датчики влажности обладают возможностью работы при температурах до 200°С, небольшим температурным коэффициентом, сопротивляемостью воздействию конденсата и паров различных химических соединений. Время отклика варьируется в диапазоне 30 - 60 сек при изменении относительной влажности на 63%. Из-за емкости соединительных проводов датчик влажности должен быть установлен на расстоянии не более трех метров от схемы преобразования сигнала. Точность емкостных датчиков составляет ±2% в диапазоне измерения относительной влажности от 5 до 95% [8].
Емкостной датчик точки росы представляет собой сенсор, объединенный с микросхемой, напряжение на выходе которой зависит от уровня относительной влажности. В памяти микросхемы находятся значения напряжений, соответствующие 20 значениям точек росы в диапазоне температур -40…27°С. Опорные значения точек росы выверены с помощью NIST гигрометра с охлаждаемым зеркалом. Зависимости значений напряжения, точки росы и точки замерзания хранятся в EPROM памяти микросхемы и затем используются для расчета давления водяных паров, необходимых для вычисления точки росы по термодинамическим соотношениям. При этом погрешность относительно измерений с помощью охлаждаемого зеркала не превышает ±2°С для точки росы в диапазоне -40…-7°С и ±1°С в диапазоне -7…27°С.
Для выбора датчиков влажности рассмотрены основные типы датчиков влажности и общие закономерности работы каждого из них. В результате анализа контроля тумана выбирается емкостной датчик HIH4000, характеристик и которого приведены в таблице 1 [9].
Таблица №1 Параметры датчика влажности HIH 4000
|
Параметр |
Значение |
|
|
Тип датчика |
емкостной |
|
|
Диапазон измерений |
0...100% |
|
|
Рабочая температура |
- 40...85 °C |
|
|
Точность |
± 3.5% |
|
|
Время отклика |
15с |
|
|
Выход |
линейное напряжение/влажность |
|
|
Напряжение питания |
5 В |
Система управления осушением тормозных дисков
Система управления осушением тормозных дисков, разработанная с использованием методов, приведенных в [10 - 11], будет реализована как автономная система на базе микроконтроллера, принципиальная схема которой приведена на рис 2. При тумане включение подсистемы удаления влаги с тормозных дисков обеспечивается подключением датчиков дождя, влажности и температуры посредством микроконтроллера по шине CAN к тормозной системе.
В состав системы обеспечивающей устойчивость платформы и системы управления осушением тормозных дисков на базе микроконтроллера должны входить: гидравлический блок с электрическим насосом обратной подачи; четыре датчика угловой скорости колёс; датчик продольного ускорения; датчик давления в тормозной системе; датчик угла поворота колес; датчик температуры; датчик влажности; блок коммутации и блок индикаторов.
Рис. 2. - Схема электрическая принципиальная системы управления осушением тормозных дисков на базе микроконтроллера
Алгоритм работы системы управления осушением тормозных колодок
Рассмотрим алгоритм работы системы управления осушением тормозных колодок в условиях тумана и дождя.
При скорости более 10 км/ч и наличии сигнала с датчиков дождя, влажности и температуры в заданных пределах срабатывает система управления осушением тормозных колодок на микроконтроллере. С микроконтроллера подается команда по шине CAN и срабатывает насос примерно на 10 секунд повышающий до 0,8 - 1,2 атм. тормозное давление в контуре передних колес в течение 10 секунд, через каждые 3 км, чтобы колодки прижались к тормозным дискам и обсушились. Алгоритм и временная диаграмма работы системы удаления влаги с тормозных дисков показаны на рис. 3 и рис. 4.
Рис. 3. - Алгоритм работы системы управления осушением тормозных колодок
Рис. 4. - Диаграмма работы системы удаления влаги с тормозных дисков
Оценка надежности системы управления осушением тормозных дисков
Для оценки надежности системы управления осушением тормозных дисков определены следующие показатели: наработка на отказ, интенсивность отказов и вероятность безотказной работы системы управления осушением тормозных дисков роботизированной платформы.
Расчет выполнен для схемы надежности последовательного соединения, в которой отказ всей системы в целом может произойти из-за отказа любого элемента. Интенсивность отказов (t) системы управления осушением тормозных дисков (1/ч) равна [12]:
где i(t) - интенсивность отказов элементов аналогов; nі ? количество элементов в і-й группе с одинаковой интенсивностью отказов і(t); m - общее количество групп элементов; k - поправочный коэффициент, учитывающий относительное изменение средней интенсивности отказов элементов в зависимости от назначения устройства.
Вероятность безотказной работы P(t) определяет вероятность того, что отказа устройства не произойдет в течение времени t [12]:
где t - время работы системы управления равное: 1, 2, 4, 8, 10 тыс. ч.; Т0 - наработка на отказ, ч.
По известной интенсивности отказов системы рассчитывается наработка на отказ в соответствии с соотношением T0=1/л.
Интенсивности отказов можно определить, как обратную величину времени эксплуатации изделия, либо гарантийного срока обслуживания с учетом количества часов эксплуатации за одни сутки.
Гарантийный срок эксплуатации ЭБУ изделия составляет 5 лет, изделие будет работать 14,24 часа в сутки. Отсюда находим время наработки на отказ Т = 5 летЧ365 дней Ч14,24 часов = 25981 часов и интенсивность отказов л0 = 1/T = 1/25981 = 38,49·10-6 1/час.
В таблице 2 приведены результаты расчета надежности системы управления осушением тормозных дисков.
Таблица №2 Расчет надежности для системы управления осушением тормозных дисков
|
Наименование и тип элемента или аналога |
Кол-во ni, |
Коэффи-циент наг-рузки, Кнi |
Интенсивность отказов |
|||
|
лi·10-6, 1/ч |
лi·Кнi·10-6, 1/ч |
nі ·лi· Кнi·10-6, 1/ч |
||||
|
ЭБУ |
1 |
1,00 |
38,489 |
38,4897 |
38,4897 |
|
|
Конденсатор |
8 |
0,60 |
0,0200 |
0,0120 |
0,0960 |
|
|
Микросхема |
13 |
0,50 |
0,0460 |
0,0230 |
2,9900 |
|
|
Резистор ОМЛТ |
23 |
0,60 |
0,0200 |
0,0120 |
0,2760 |
|
|
Предохранитель |
3 |
0,30 |
0,024 |
0,0720 |
0,2160 |
|
|
Микросхема стабилитрон |
2 |
0,50 |
0,40 |
0,0200 |
0,0400 |
|
|
Индикатор 3Л341Г |
3 |
0,20 |
0,03 |
0,0060 |
0,0180 |
|
|
Кнопочный выключатель |
3 |
0,30 |
0,05 |
0, 0150 |
0,0450 |
|
|
Датчик |
2 |
0,50 |
0,1 |
0,0500 |
0,6000 |
|
|
Диод |
9 |
0,40 |
1 |
0,4000 |
3,6000 |
|
|
Провод, м |
0,2 |
0,20 |
0,0100 |
0,0020 |
0,0004 |
|
|
Разъемы |
3 |
0,50 |
0,5 |
0,2500 |
0,7500 |
|
|
всего устройства |
=47,1211 |
Находим общую интенсивность отказов:
Время наработки на отказ для рассматриваемой системы:
T0=1/л=1/(47,1211·10-6)=21222 (часов).
Вероятность безотказной работы Р(t)=?-лt для различного времени работы системы, приведена в таблице 3:
Таблица №3 Вероятность безотказной работы системы управления осушением тормозов
|
t·103,ч |
0,5 |
2,5 |
5 |
7,5 |
10 |
12,5 |
15 |
17,5 |
20 |
25 |
|
|
·t·10-3 |
24 |
125 |
250 |
370 |
500 |
625 |
750 |
875 |
1000 |
1250 |
|
|
P(t) |
0,98 |
0,88 |
0,78 |
0,69 |
0,61 |
0,53 |
0,47 |
0,42 |
0,37 |
0,28 |
График изменения вероятности безотказной работы системы в течение 25 тыс.ч работы системы управления осушением тормозных дисков показан на рисунке 5.
Рис. 5. - График изменения во времени вероятности безотказной работы системы управления осушением тормозных дисков
Из графика рисунка 5, для вероятности безотказной работы Р(t) = 0,78, определяем время наработки на отказ Т0=5000 час, что является подтверждением хорошей надежности системы.
Выводы
В работе описана процедура адаптации подвижной роботизированной платформы для транспортировки морских роботизированных систем в сложных погодных условиях, таких как туман, дождь и снега. Определена влажность и температура, при которых необходимо использовать корректирующие алгоритмы. Проведен анализ и выбор датчиков для системы управления. Разработана принципиальная электрическая схема и приведен алгоритм работы. В завершении проведен расчет надежности системы. Полученные результаты будут в дальнейшем апробированы сначала в вычислительных, а затем реальных экспериментах.
Литература
1. Пшихопов В.Х., Крухмалев В.А. Планирование энергоэффективных траекторий полета стратосферного дирижабля-челнока многоуровневой транспортной системы МААТ // Инженерный вестник Дона, 2013, №2 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1646.
2. Пшихопов В.Х, Федотов А.А, Медведев М.Ю., Медведева Т.Н., Гуренко Б.В. Позиционно-траекторная система прямого адаптивного управления морскими подвижными объектами // Инженерный вестник Дона, 2014, №3URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2496.
3. Гуренко Б.В., Федоренко Р.В., Береснев М.А., Сапрыкин Р.В., Переверзер В.А. Разработка симулятора автономного необитаемого подводного аппарата // Инженерный вестник Дона, 2014, №3 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2504.
4. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Костюков В.А., Гайдук А.Р., Федоренко Р.В., Гуренко Б.В., Крухмалев В.А., Медведева Т.Н. Проектирование роботов и робототехнических систем: Учебное пособие. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2014. 195 с.
5. Иванов Е. Новые серии датчиков влажности Honeywell// Новости электроники, 2007, № 2 URL: compel.ru/lib/ne/2007/2.
6. Волощенко П.Ю., Волощенко Ю.П. Основы системного моделирования электрической структуры интеграции сверхбыстродействующих электронных приборов. Ростов-на-Дону: изд-во ЮФУ, 2014. 94 с.
7. Пшихопов В.Х., Веревкина Л.С., Веревкин А.Л. Проектирование электротехнических устройств. Часть 1. Стадии проектирования. Техническое задание. Таганрог: изд-во ЮФУ, 2013. 50с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Датчик дождя как оптико-электронное устройство, устанавливаемое на ветровое стекло и реагирующее на его увлажнение, схема. Фотоприёмник и инфракрасный излучатель как составные элементы устройства. Структурная и функциональная схема датчика дождя.
реферат [217,9 K], добавлен 21.01.2013Проведение испытаний на воздействие солнечной радиации в совокупности с другими климатическими факторами. Внешний осмотр. Испытательное и контрольно-измерительное оборудование. Камера тропического климата, соляного тумана. Коррозионная стойкость изделий.
реферат [2,6 M], добавлен 25.01.2009Накопительные и питательные устройства. Промежуточное транспортирование деталей внутри роботизированного технологического комплекса. Стационарные и подвижные транспортные устройства. Конвейеры непрерывного действия. Системы защиты с фотоэлементами.
контрольная работа [876,9 K], добавлен 19.05.2010Оснащение роботизированных технологических комплексов (РТК): обеспечение станков деталями. Накопительные, питательные и транспортные устройства. Стационарные и подвижные транспортные средства. Мероприятия по подготовке производства к применению роботов.
контрольная работа [877,3 K], добавлен 04.06.2010Запись условий работы устройства управления и графическая модель цикла работы механизма. Синтез отдельных блоков. Граф состояний и переходов минимизированного автомата. Определение функций возбуждения памяти. Проверка правильности работы устройства.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 20.02.2015Структурная схема устройства управления. Алгоритм работы микроконтроллера в его составе. Строение центрального процессорного элемента – микроконтроллера AVR семейства Classic. Принципиальная схема устройства, расчет временных параметров ее работы.
курсовая работа [636,5 K], добавлен 03.12.2013Работа системы инфракрасного дистанционного управления. Параметры и характеристики 6-ти канального регулятора громкости. Выбор технологии разработки печатной платы. Расчет расходов на стадии производства устройства управления акустической системой 5.1.
дипломная работа [3,6 M], добавлен 01.02.2013CAD-системы, предназначенные для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации. Сферы использования систем автоматизированного проектирования. Проектирование устройства дистанционного управления. Замена радиоэлементов на плате.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 31.01.2016Назначение и состав блока преобразования кодов, схема управления им. Основные определения теории надежности, понятие безотказности. Расчет количественных характеристик критерия надежности конкретного изделия. Расчеты надежности при проектировании РЭА.
реферат [28,6 K], добавлен 11.12.2010Проектирование устройства индикации на микроконтроллере KP1816BE51. Выбор и обоснование аппаратной части устройства. Разработка обслуживающей программы на ассемблере. Время выполнения программы индикации. Максимальная оптимизация выполняемого кода.
курсовая работа [21,6 K], добавлен 22.03.2011
