CC BY
16Решетневскуе чтения. 2018
УДК 629.127
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ ПОДВОДНОГО МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ
С БИОНИЧЕСКИМ ДВИЖИТЕЛЕМ
А. О. Панаськов, Я. Е. Шумилина, В. А. Будьков
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: panaskov79@gmail.com
Предложена система управления положением подводного мехатронного модуля с бионическим движителем с описанием работы микропроцессорной схемы.
Ключевые слова: микропроцессор, акселерометр, колеблющееся крыло.
THE CONTROL SYSTEM OF UNDERWATER POSITION MECHATRONIC MODULE
WITH BIONIC ACTUATOR
А. О. Panas'kov, J. Е. Shumylyna, V. А. Bud'kov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: panaskov79@gmail.com
The control system for the position of the underwater mechatronic module with a bionic propeller with a description of the operation of the microprocessor circuit is proposed.
Keywords: microprocessor, accelerometer, wavering wing.
Колеблющееся крыло один из самых распространенных природных движителей. Большинство представителей животного мира, обитающих в водной среде, используют именно такой способ движения. Данный движитель позволяет достигать достаточно высоких скоростей движения при относительно малом расходе биологической энергии. Однако при работе такого крыла колебания передаются на корпус модуля, следовательно, на практике разработка механизмов с движителем типа колеблющегося крыла требует не только поиска новых технических решений, но и применения современных систем контроля положения технической конструкции в пространстве [1-5].
На рисунке представлена система управления подводным мехатронным модулем, с участием оператора, но с автономным контролем заданного положения.
Микропроцессорная схема системы управления положением подводного мехатронного модуля
Структура схемы системы управления состоит из следующих элементов: ПК - персонального компьютера; БК - бортовой контроллер; МК - микрокон-
троллер; АЛ - акселерометр левого борта; АП - акселерометр правого борта; ДД - датчик давления; ПН -преобразователь тока в напряжение; У - усилитель преобразователя тока в напряжение; АЦП - аналогов-цифровой преобразователь; КП - контроллер привода; М - бесколлекторный электрический двигатель; ДОС - датчик обратной связи; ВС - внешняя среда.
В качестве датчика давления выбран ПД100-ДГ1.6-137. Данная модель характеризуется возможностью работы внутри жидкости. Для связи сенсора с атмосферой в кабеле присутствует капилляр. Выходной сигнал датчика давления находится в диапазоне от 4 до 20 мА. Сигнал с датчика после преобразования и усиления оцифровывается с помощью сигма-дельта АЦП разрядностью 22 бит MCP-3551, разработанного компанией Microchip Technology Inc. Данный аналогово-цифровой преобразователь позволяет обеспечить высокую точность выходных данных, работая с первичными преобразователями. Интерфейсом подключения является SPI. В качестве 3-осевого акселерометра выбран H3LIS331DL, который служит для определения ускорения по 3-м направлениям. В качестве бортового контроллера выбран процессорный блок SK-A20-SODIMM. Ядром процессорного блока является высокопроизводительный процессор фирмы Allwinner A20 Dual (ARM Dual Cortex-A7 1000 МГц). Подключение микроконтроллера, сервоприводов, питания и Ethernet к процессорному блоку осуществляется через разъем SO-DIMM на 200 контактов.
В качестве сервопривода был выбран Robotis AX-12A. Контроллер привода позволяет получать текущую информацию о положении вала, температуре
Технология и мехатроника в машиностроении
двигателя, моменте нагрузки, напряжении. Все сервоприводы подключены к одной шине UART по протоколу Dynamixel 1.0.
Для обработки данных с акселерометров и датчика давления был выбран микроконтроллер Atmega8L, позволяющий выполнять 1 миллион инструкций в секунду, что позволяет с достаточно высокой скоростью получать точную и своевременную информацию с датчика давления и акселерометров.
Подводный мехатронный модуль движения подключается к персональному компьютеру через типовой интерфейс Ethernet, что позволяет передавать команды на бортовой компьютер и получать информацию о текущем состоянии подводного мехатронного модуля на расстоянии до 100 метров и обеспечивает скорость соединения до 1 Гб/с. Персональный компьютер в предлагаемой системе контроля положения подводного мехатронного модуля предназначен для задания оператором требуемых параметров и отправки команд на бортовой контроллер о требуемой скорости движения, ее векторе и глубине погружения. Микроконтроллер, считывая показания с акселерометров и датчика давления, передает их на бортовой контроллер, который сравнивает их с требуемой скоростью, её вектором и глубиной погружения, после чего вводит соответствующую корректировку в работу сервоприводов. От бортового контроллера подается команда на контроллер конкретного сервопривода о требуемой скорости его движения и угле положения выходного вала. Сигнал с контроллера сервопривода поступает на драйвер бесколлекторного двигателя постоянного тока. Изменяя свое положение, выходной вал изменяет сопротивление потенциометра (датчика обратной связи), тем самым контроллер сервопривода контролирует положение вала.
Данная система контроля положения подводного мехатронного модуля позволяет автономно поддерживать заданные оператором параметры движения, что позволяет повысить точность подводных работ и упростить работу оператора.
Библиографические ссылки
1. Горелов Д. Движитель типа машущего крыла // Прикладная механика и техническая физика. 2014. Т. 55, № 6. С. 120-126.
2. Крылов Д., Сидняев Н., Федотов А. Обтекание колеблющегося крыла потоком идеальной несжимаемой жидкости // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. Вып. 2.
3. Голубев В. Исследования по теории машущего крыла // Труды по аэродинамике. М. ; Л. : Гостехте-ориздат, 1957.
4. Прандлтль Л. Гидромеханика. М. : Иностр. лит., 1951.
5. Коваль К., Сухоруков А., Чернышев И. Результаты верификации численного метода расчета гидродинамических и гидроакустических характеристик плавникового движителя.
References
1. Gorelov D. Dvyzhytel' typa mashushhego kryyla // Prykladnaja mehanyka y tehnycheskaja fyzyka. 2014. Vol. 55, № 6. С. 120-126.
2. Kryylov D., Sydnjaev N., Fedotov A.. Obtekanye kolebljushhegosja kryyla potokom ydeal'noj neszhy-maemoj zhydkosty. Ynzhenernyyj zhurnal: nauka y yn-novacyy, 2013. Vol. 2.
3. Golubev V. Yssledovanyja po teoryy mashushhego kryyla // Trudyy po aэrodynamyke. M.;L.: Goste-hteoryzdat, 1957.
4. Prandltl' L. Gydromehanyka. M. : Izd-vo ynostr. lyt., 1951.
5. Koval' K., Suhorukov A., Chernyyshev Y. Rezul'tatyy veryfykacyy chyslennogo metoda rascheta gydrodynamycheskyh y gydroakustycheskyh harakter-ystyk plavnykovogo dvyzhytelja.
© Панаськов А. О., Шумилина Я. Е., Будьков В. А., 2018
