Поиск:  
  
Технологии
Книжная полка
Объявления
Контакты

  






  ***

Автоматизированный дирижабль (Аэробот).


РобоКлуб/Проекты/Мобильные/Автоматизированный дирижабль (Аэробот).



Автоматизированный дирижабль (Аэробот)

Аэробот является автономным управляемым летательным аппаратом, весящим меньше воздуха, который в качестве основного подъемного средства использует баллон, наполненный гелием.

Баллон (малый дирижабль мягкой системы) сделан из 2 круглых секций диаметром 1,25 м, спаянных по краю; в «надутом» состоянии имеет форму сплющенной сферы диаметром 1 м и обладает грузоподъемностью в 210 г. Корзина дирижабля, содержащая системы управления и связи и движительную систему, прикреплена по центру ко дну оболочки, обеспечивая тем самым устойчивую платформу для ультразвукового высотомера. Высотомер посылает ультразвуковой импульс к полу и высчитывает расстояние исходя из времени полета возвращающегося эха.

Каждый Аэробот состоит из следующих подсистем:

  • Оболочка
  • Корзина
  • Движительная система
  • Плата управления uLinux
    • Материнская плата
    • DIMM PC
    • 802,11b LAN
  • Ультразвуковой высотомер
  • Источник питания

Площадка для Аэробота

Площадка для Аэробота

Оболочка

Физическое воплощение робота представляет собой летательный аппарат, весящий меньше воздуха (LTAV), в форме наполненного гелием баллона (малого дирижабля мягкой системы). Дирижабль состоит из двухчастной металлизированной нейлоновой оболочки 130 см в диаметре (в ненадутом состоянии), которая в надутом состоянии имеет форму сплющенной сферы диаметром 1 м. У оболочки имеется небольшой невозвратный клапан для того, чтобы сделать процесс наполнения желаемым подъемным газом более удобным; этот клапан можно открыть с помощью вентиля и сдуть оболочку для хранения или же пополнения газом. Если оболочка разрезана или повреждена, то ее легко можно починить при помощи целлофанновой пленки или клейкой ленты Sellotape. Объем оболочки составляет приблизительно 203 литра, что дает грузоподъемность в 210 г при наполнении чистым гелием (He).

Так как диаметр оболочки больше, чем максимальная ширина материала, каждая оболочка состоит из 4 полос. Для создания широкого листа с соединительным швом по центру, который является половиной оболочки, две полосы соединяются по своей длине. Эти два широких листа кладутся внутренними сторонами друг к другу на плоскую твердую поверхность типа линолеума, покрытую толстой бумагой (бумага предотвращает плавление линолеума), машинка для склеивания помещается наверх, а потом, нагретая, аккуратно продвигается по краям оболочки. Для того чтобы склеивание прошло успешно, необходимо достигнуть правильной температуры и давления. Лучший способ достигнуть правильной температуры и давления – метод проб и ошибок.

Машинка для склеивания

Машинка для склеивания

Корзина

Корзина дирижабля сделана из легкого вакуумформованного стирола, для чего была использована форма из бальзового дерева. Форма корзины была спроектирована таким образом, чтобы обеспечить легкий доступ ко всем разъемам платы управления.

Корзина прикрепляется к оболочке с помощью клейкой ленты, которая мало весит и обеспечивает хорошее крепление, не повреждая при этом нейлоновую оболочку при снятии. Корзина разработана так, чтобы к ней подходили различные движительные системы с внедрением модульного подвижного блока. Это позволяет использовать на отдельном дирижабле любой тип движительной системы без необходимости заменять при этом всю корзину. Шасси дирижабля прикреплены к движительной установке и предотвращают жесткую посадку с помощью ног из углеводородного волокна.

Вид корзины снизу

Вид корзины снизу

Вид корзины спереди

Вид корзины спереди

Движительная система

Тяга на Аэроботе создается с помощью четырех небольших блоков вентиляторов, которые при работе в полную мощность способны поддерживать тягу в 15 г каждый. Каждая из этих установок состоит из маленького электромотора постоянного тока, снабженного небольшим пластмассовым пропеллером. Пластмассовые пропеллеры имеют в диаметре 6,5 см и весят 0,4 г каждый. Каждый из вентиляторов управляется мостовым драйвером для того, чтобы были возможны операции в обоих направлениях и широтно-импульсная модуляция (ШИМ) для обеспечения цифрового управления коробкой передач.

Электромотор и пропеллеры

Электромотор и пропеллеры

По одному вентилятору прикрепляется к каждому концу лапы из углеводородного волокна для обеспечения правого, левого и осевого вращения. Оставшиеся два вентилятора прикреплены под корзину для обеспечения движения по вертикальной оси. Это вентиляторы противоположного вращения, что сделано для того, чтобы избежать появления вращающего момента, так как это было серьезной проблемой при использовании одного вентилятора.

Четырехдвигательная движительная система

Четырехдвигательная движительная система

Также была разработана вторая движительная система, которая использует только два вентилятора, прикрепленных к лапе на карданном подвесе. У лапы есть небольшая шестерня, сцепленная с шестерней на сервоприводе, что позволяет совершать движения на 360 градусов. Эта система может быть прикреплена ко дну корзины в качестве замены четырехмоторной версии.

Система с изменяемым направлением вектора тяги

Система с изменяемым направлением вектора тяги

Плата управления uLinux

Основной недостаток использования малых дирижаблей – это строгое ограничение по весу, налагаемое на разработку электронной системы управления: грузоподъемность надутой оболочки составляет только 200 г и примерно половина (100 г) предназначена для источника питания. Плата управления uLinux, совмещенная с очень компактным оборудованием, и использование технологии поверхностного монтажа позволяет значительно сократить вес.

Диаграмма платы управления uLinux

Диаграмма платы управления uLinux

Материнская плата Аэробота (uLinux плата управления)

Материнская плата аэробота включает в себя следующие основные компоненты:

  • DIMM PC слот
  • Источник питания
  • Управление двигателем PIC
  • RS232 интерфейс
  • Драйвер двигателя
  • Слоты для CF и разъем в материнской плате

Плата управления uLinux; вид сверху

Плата управления uLinux; вид сверху

DIMM PC слот: Это 144 pin SO DIMM разъем, который используется для соединения DIMM PC с материнской платой.

Преобразователь тока: Переключатель напряжений и перезаряжаемая батарея обеспечивают необходимые электронике 5 вольт. Максимальный ток потребления электроники может превышать 1 А, и поэтому необходим импульсный преобразователь тока. В качестве такого преобразователя был выбран MAX1763, так как его нагрузочная способность превышает 1,5 А и к тому же он малошумный. Этот преобразователь будет работать даже при напряжении в 8 вольт, максимально увеличивая энергию, получаемую от батарей. Однако для того, чтобы не сократить срок работы литий-полимерных батарей, нужно быть очень внимательным, так как их нельзя разряжать до уровня ниже 2,5 вольт, иначе элемент питания будет поврежден. Более подробно об этом читайте в разделе, посвященном источнику питания.

Управление двигателем PIC: также присутствует 8-bit Arizona Microchip PIC 16F877 микроконтроллер, который работает на частоте 14.318 МГц, обеспечивая достаточную вычислительную мощность для работы сенсоров и моторов. Микроконтроллер обладает 8 Кб встроенной флэш памяти, с возможностью внутрисхемного программирования через подключение к DIMM PC через последовательный RS232 интерфейс (Com1).

Последовательный порт: материнская плата снабжена полностью связанным интерфейсом RS232, который позволяет соединение с системой, используя аппаратное управление потоками данных. Используется преобразователь уровней MAX3387E. Это устройство подсоединено через Com2 на DIMM PC.

Драйверы двигателя: Драйверами двигателя являются полномостовые HIP 4020 драйверы, которые размещаются в корпусе ля поверхностного монтажа SO20, обеспечивающим ток до 500мА. Эти микросхемы также обладают предохранителями сверхтока и перегрева для предотвращения повреждения или перегрева.

Слот для CF и разъемы памяти: Для того, чтобы была возможность использовать в системе Compact Flash (CF) I/O и платы памяти потребовался интерфейс хост-контроллера. В качестве интерфейса в этой система используется одноразъемный контроллер Cirrus PD6710 PCMCIA. Так как стандарт CF схож со стандартом PCMCIA (меньше адресов), то было относительно легко установить на материнской плате один CF I/O разъем. Второй CF разъем возможен только на плате памяти. Этот разъем подсоединен к шине IDE, и в данном случае карты памяти воспринимаются как вторичные жесткий диски.

Ультразвуковой высотомер

Была разработана легковесная ультразвуковая дальнометрическая система, которая позволяет дирижаблям контролировать свою высоту в пределах нескольких миллиметров с максимальной дистанцией в 2,5 м. Передатчик посылает к полу 40 КГц ультразвуковой импульс, который уже в виде эха принимается приемником, чтобы установить время полета. Время полета потом умножается на скорость звука и делится на 2, чтобы получить замер расстояния. Для простоты и минимизации необходимой мощности для вычисления дистанции используется первое полученное эхо, то есть система не проверяет, был ли это достоверный импульс путем высчитывания ряда полученных импульсов. У сенсора есть свой встроенный процессор (PIC 16f873a), который дает возможность обновлять данные о высоте в определенный период (100 мс) и хранить данные в буфере для использования главным компьютером. Когда у сенсора запрашивается высота, главный компьютер посылает запрос в буфер и не ждет полного завершения цикла посылки импульса и получения эха. Сенсор полностью программируется через ICSP интерфейс и RS232 порт, это облегчает обновление встроенных программ.

Датчик высоты

Датчик высоты

Эта система очень хорошо работает при использовании ее над гладкой ровной поверхностью, но дает редуцированную оценку и точность при работе с ковровой поверхностью. На точность влияет не только отражающий материал, но и регулировка передатчика и приемника. Чтобы достичь максимальной точности, передатчик располагается по меньшей мере в 50 мм приемника и параллельно ему. Система использует небольшие отдельные ультразвуковые датчики для приемника и передатчика, чтобы обеспечить возможность измерения малых дистанций, так как одному датчику понадобилось бы время гашения, чтобы быть готовым к работе после передачи. Используется пороговая система времени угасания, которая изначально задет высокий порог для отсеивания ложных сигналов, а потом переходит к установленному минимуму, регистрируя более слабые, отдаленные сигналы.

Перед тем как сенсор был прикреплен к Аэроботу, его протестировали, чтобы найти максимальную и минимальную измеряемую дистанцию, точность и линейность. График внизу показывает результаты теста; данные, представленные сенсором, обозначены голубым цветом, а фактически измеренная высота обозначена красным (пунктиром).

Данные сенсора vs. измеренное расстояние

Данные сенсора vs. измеренное расстояние

Из графика видно, что у сенсора достаточно хороший линейный отклик, хотя присутствуют ошибки на границах измеряемого расстояния. Для компенсации этой небольшой неточности встроенная программа в сенсоре была изменена так, чтобы давать модифицированные данные. С измененным кодом сенсора измеряемая дистанция отличалась от действительной всего на несколько миллиметров. Минимальное расстояние действия сенсора – 23,5 мм, можно изменить встроенную программу так, чтобы уменьшить этот расстояние, но это сделает систему более чувствительной к ложным эхо.

Источники питания

На выбор батареи в значительной степень повлияло количество доступной удельной энергии на едиицу массы: чем легче батарея для данной мощности, тем лучше. Было решено использовать презаряжаемые батареи, так как при использовании неперезаряжаемой батареи количество времени пробного запуска повлекло бы за собой значительные издержки. Рассматривалось 4 типа перезаряжаемых батарей: никель-кадмиевые (Ni-Cad), никель-металлогидридные (Ni-MiH), литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Pol). Скоро стало ясно, что для этой цели лучше всего подходят литий-полимерные батареи, ставшие доступными в последнее время. На Аэроботе находятся две батареи, одна для электроники, другая для двигателя. Для электроники используется элемент Kok3270 (3270мAч @ 64), а для двигателя - элемент (2020мAч @ 43g). Обычно литий-полимерные батареи имеют в интегральной схеме цепь защиты, чтобы предотвратить воздействие на элементы питания слишком высокого или слишком низкого напряжения, однако Аэробот использует элементы питания без защиты. Если элемент питания заряжен свыше 4,25 вольт или разряжен ниже 2,5 вольт, то он будет поврежден, поэтому следует использовать специальное литий-полимерное зарядное устройство. Используемое зарядное устройство – это WesTek Lithium Ion/Polymer - зарядное устройство с микропроцессором, способное заряжать от одного до трех элементов питания с разным напряжением. При установке данного зарядного устройства на максимальный ток зарядка 3,3 Дач батареи с 2,5 вольт до максимума занимает примерно 3 часа.

Источник питания Cobham Lithium Polymer 3,3Ач

Источник питания Cobham Lithium Polymer 3,3Ач

Зарядное устройство WesTek

Зарядное устройство WesTek

Наличие отдельных блоков питания значительно увеличивает время работы системы, так как LAN радио очень чувствительно к колебаниям напряжения вызванных мотором.

 


gale
Университет Западной Англии

Комментарии

Добавить комментарий к мобильным
Гульнур gukaz@mail.ru
мне хотелось бы узнать-мощность грузоподъемности, скорости и вместимости дирижабля. если можно, ответьте пожалуйста на мыло! Спастбо заранее!

Роман rotorshin@yandex.ru
Было бы очень интересно узнать примерную стоимость данного изделия и возможности касаемые высоты полета, дальности, продолжительности и механизме управления. Ответ если можно на электронный адрес rotorshin@yandex.ru Роман

Sirius s2005@kkk.ru
Аэробот- техника будущего? Для 2 мировой войны этот вариант бы вполне подошел, но в наш век?