Выбор электронных и электромеханических компонентов

Одной из задач, которые требуется решить в данной работе, является подбор оптимальных электромеханических и электронных компонентов таких как микроконтроллеры, датчики, двигатели и прочее. Ниже приведено более подробное описание этих элементов.

 

   Управляющий компьютер: Raspberry Pi 3 Model B

   Задачей одноплатного компьютера является передача видеопотока, расчет и обработка сигналов с датчиков положения, а также получение команд от оператора. Встроенный порт CSI позволяет быстро и удобно подключить видео устройство и считывать с него информацию.

   Основные характеристики:

• 1.2 ГГц четырехъядерный процессор ARM Cortex-A53

• 1ГБ ОЗУ

• 4 USB 2.0 порта

• 40 GPIO портов ввода-вывода

• HDMI порт

• Ethernet порт

• Wi-Fi 802.11n и Bluetooth 4.1

• 3.5mm аудио разъем

• CSI 2 порт подключения камеры

• DSI порт подключения дисплея

• UART порт

• I²C/TWI

• Micro SD порт

• Графический двухъядерный процессор VideoCore IV 3D

 

   Контроллер двигателей и сенсоров: Arduino Micro

   Микроконтроллер отвечает за работу двигательной системы робота, то есть осуществляет управление всеми серводвигателями аппарата. В дополнении к основному назначению микроконтроллер может взять на себя часть сбора информации с сенсоров робота, а возможность установки модулей расширения позволит модифицировать данный аппарат, если это потребуется.

   Основные характеристики:

• Микроконтроллер нового поколения ATmega32u4

• Рабочее напряжение 5 В

• Входное рекомендуемое напряжение 7-12 В

• Входное предельное напряжение 6-20 В

• Цифровые входы/выходы 20 (7 из них ШИМ)

• Аналоговые входы 12

• ПЗУ 32 Кб

• ОЗУ 2.5 Кб

• Тактовая частота 16 МГц

 

Двигатель: JX CLS-HV7346MG Servo Motor

Бесколлекторный двигатель с металлическим редуктором, с влаго- и пыле- защитой является неотъемлемой частью движительной системы робота.

Основные характеристики:

• Рабочее напряжение 6 - 7.4 В

• Рабочая скорость (7.4 В) 0,12 сек / 60⁰

• Крутящий момент (7.4 В) 47 кг*см

• Размер 40 мм х 20 мм х 37 мм

• Масса 75 г

• Подшипник 2ВВ

• Бесколлекторный двигатель

• Водонепроницаемый корпус

• Металлические шестерни

 

Модуль управления сервоприводами: PCA9685 PWM/Servo Module

Так как количества портов ШИМ на Arduino Micro недостаточно, вводится два модуля расширения, которые будут управлять по 10 сервоприводов каждый. Кроме большого количества портов данный модуль имеет низкое энергопотребление в спящем режиме, который целесообразно включать при использовании лишь нижних конечностей, что является выгодным плюсом по сравнению с другими модулями расширения.

Основные характеристики:

• Напряжение питания 2,3-5,5 В

• Потребление предельное 12 мА

• Потребление в спящем режиме 1 мА

• Напряжение питания нагрузки до 7.4

• Ток питания нагрузки 25 мА

• Частота ШИМ сигнала 40-1000 Гц

• Количество подключенных нагрузок 16

 

   Видеокамера: Raspberry Pi Camera V2.1

   Как и описывалось ранее, модуль камеры отвечает за передачу видео и изображений, а его полная совместимость с Raspberry Pi упрощает подключение и использование данного устройства.

Основные характеристики:

• Тип сенсора Sony IMX 219 PQ CMOS

• Матрица 8 Мп

• Поддержка форматов видео 1080p (30fps), 720p (60fps), 640×480p (90fps)

• Светосила f/2

• Фокусное расстояние 33 мм

• Размеры 25мм x 23мм x 9мм

 

Датчик положения: LSM303DLHC Triple-axis Compass & Accelerometer & Magnetometer Board

Отличительной особенностью этого датчика является комбинация компаса и акселерометра с гироскопом в одном цельном устройстве, что упрощает его эксплуатацию.

Основные характеристики:

• 3 оси датчика магнитного поля и 3 оси датчика ускорения

• I2C интерфейс и SPI

• Напряжение питания от 2.16 В до 3.6 В

 

   Источник питания: Vant Battery 7.4 V 10000 mAh 2S1P 90C LiPo

Аккумулятор с большой емкостью, обеспечивает питанием электрические и электромеханические системы робота.

   Основные характеристики:

• Емкость: 10000 мАч

• Напряжение: 7.4 В

• Разряд: 2S 90C постоянный

• Масса: 400 г

• Габариты: 156x46x29 мм

• Разъем: TRX

 

   Таблица 1 - Массогабаритные характеристики

Наименование	Назначение	Размеры, мм	Масса, г	Кол-во
Raspberry Pi 3 Model B	Управляющий компьютер	85 x 56 x 17	45	1
Arduino Micro	Контроллер моторов/сенсоров	48 x 18 x 1	13	1
PCA9685	Модуль управления сервоприводами	66 x 25 x 1	11	2
LSM303DLHC	Датчик положения	5 x 5 x 1	3	1
Raspberry Pi Camera V2.1	Видеокамера	25 x 23 x 9	3	1
JX CLS-HV7346MG	Двигатель	40 x 20 x 37	70	31
Vant Battery 7.4 V 10000 mAh 2S1P 90C LiPo	Аккумулятор	156 x 46 x 29	400	1

 

 

Элементы конструкции

На основе вышеперечисленных электронных компонентов, опираясь на их массогабаритные характеристики, были спроектированы следующие элементы конструкции, такие как крепежи, базы, внешние сферические панели и прочее. Ниже приведены изображения полученных деталей (Таблица 2).

Таблица 2 – Модели деталей конструкции

Наименование детали	Изображение
База верхняя
База нижняя
Балка
Вал
Качель
Качель центральная
Колонна
Крепеж верхний
Крепеж нижний
Панель
Рельса верхняя
Релься нижняя
Соединитель
Фиксатор

 

   Чтобы эффективно перемещаться по разным поверхностям требуется максимально возможный для материала коэффициент трения, так как необходимо надежное сцепление с поверхностью земли, иначе не избежать прокручиваний и застреваний в труднопроходимых ландшафтах.

Для пластин, образующих сферу работа, был взят пластик, так как для создания данного робота будет применяться 3Д печать, позволяющая создать детали почти любой сложности и формы. Использование 3Д печати позволит упростить процесс создания данного аппарата.

Из нескольких вдов широко распространённых пластиков был выбран пластик SBS Pro, имеющий одним из самых больших коэффициентов трения.

 

   Коэффициент трения пластиков Rubber и PRO Flex выше, чем у SBS Pro, однако эти два типа пластиков являются гибкими. Требуемым же типом является твердый тип пластика, поэтому остановимся на SBS Pro.

   Для остальных деталей будет взят сплав Д16 дюралюминий, так как он применяется в силовых конструкциях и хорошо подойдет для данного аппарата, а также сплав отличается своей относительной легкостью по сравнению с остальными материалами.

Расчет автономности

Для определения автономности робота, то есть количества времени, в течение которого он способен производить работу на одном аккумуляторе, необходимо рассчитать его энергетику.

Для энергетической системы справедливо уравнение:

 (1)

где  - емкость источника в Вт*ч,  - мощность оборудования,  - автономность.

   Чтобы определить автономность, необходимо знать емкость источника питания, а также мощность, потребляемую электронными компонентами. В таком случае уравнение примет вид:

(2)

   Для выбранного аккумулятора Vant Battery 7.4 V 10000 mAh 2S1P 90C LiPo емкость  10000 мА*ч, а мощность соответственно составила  Вт*ч при напряжении 7.4 В.

   Мощность всех электронных компонентов определяется по формуле:

  (3)

   Таким образом формула примет следующий вид:

 (4)

Потребляемые токи, мощность и напряжение питания компонентов представлены в таблице.

 

 

Таблица 3 — Мощности электрических компонентов

Наименование	Потребляемый ток, мА	Напряжение, В	Мощность, Вт	Кол-во
Raspberry Pi 3 Model B	700	7.4	5.2	1
Arduino Micro	40	7.4	0.296	1
PCA9685	10	3.3	0.033	2
LSM303DLHC	2	3.3	0.0066	1
Raspberry Pi Camera V2.1	200	3.3	0.825	1
JX CLS-HV7346MG	500	7.4	66.6	18

 

Для удобства расчета были исключены компоненты, потребляемая мощность которых составила меньше 1 Вт.

   Из имеющихся данных был произведен расчет времени автономной работы при нагрузке 18 действующих сервоприводов, так как режим ходьбы самый затратный, а именно в нем действуют все 18 двигателей в конечностях, пока верхние конечности находятся в состоянии покоя. В режиме качения используется всего 8 сервоприводов попеременно. Получим следующее значение автономности:

 

 ч

Расчетная мощность удовлетворяет ТЗ.

   Таким образом, расчетные данные подтверждают правильность выбора данной конструкции робота.

 

Второй этап проектирования