Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Современный уровень автоматизации производственных процессов тесно связан с микропроцессорной техникой. Система автоматического управления, базируется на промышленных программируемых контроллерах, которые осуществляют функции регулирования электропривода, опроса датчиков, формирования управляющего воздействия, обеспечивают связь между системой и её внутренними элементами и узлами, вывод данных.

Сам стабилизатор для съемки в движении представляет собой устройство, которое способно удерживать камеру в неподвижном состоянии по трём степеням свободы не зависимо от передвижения оператора, а также следовать его движениям.

Важным этапом по его созданию является сборка механической части, так как это требует высокой точности при изготовлении отдельных частей рамы для соблюдения соосности и распределения центра масс. Также важным фактором является подбор двигателей для данной установки, так как в зависимости от их электрических параметров будет зависеть тип управляемой ей логики и драйверов, уровни напряжений.

Со стороны разработки программного обеспечения стоит главная задача по реализации программы, которая будет качественно снимать и обрабатывать показания датчиков, выполнять необходимые вычисления и производить управление электроприводом стабилизатора.

1. Актуальность темы

Актуальность работы заключается в том, что устройство позволяет на практике ознакомиться с работой электропривода систем стабилизации и систем позиционирования, получить навыки по настройке регуляторов системы автоматического регулирования.

2. Понятие о трехосевом стабилизаторе

Стабилизатор для съёмки в движении или стедикам (англ. Steadicam), есть устройство, предназначенное для видеосъёмки в движении. Со времен создания, стедикам стал неотъемлемым вспомогательным операторским оборудованием, он позволяет получить стабильную картинку при передвижении оператора по съёмочной площадке без тряски и отклонений от горизонта или заданной точки съёмки.

Стедикам был изобретен в 1976 году кинооператором Гарретом Брауном, а как устройство было запатентовано в 1977 году под названием Оборудование для использования с ручными кинокамерами. В последствии, набирающий популярность кинооператор-изобретатель в 1978 году получил Оскар за технические достижения.[1]

Механические стедикамы основаны на принципе демпфирования колебаний камеры с помощью противовесов и грузов. В данной работе представлен электронный стедикам, принцип действия которого состоит в управлении электродвигателями постоянного тока, закрепленных на специальной раме.

Общий вид стабилизатора по трём осям представлен на рисунке 2.1.

Общий вид стабилизатора

Рисунок 2.1 – Общий вид стабилизатора

3. Составные части стабилизатора

Конструктивно стедикам представляет собой раму на которой закреплены двигатели по тём осям (X,Y,Z). Ось каждого двигателя соединяется с корпусом последующего двигателя. К корпусу первого двигателя крепят ручки и основную раму, а на вал последнего устанавливается площадка для закрепления фото или видеокамеры. На площадке устанавливается датчик положения (гироскоп или акселерометр).

В случае с данным устройством, будут применены следующие компоненты и составные части: отладочная плата STM32F4 Discovery, двигатели постоянного тока, драйверы двигателей L298N, 6-ти осевой датчик положения в пространстве MPU-6050, а также несущая рама, выполненная из подручных материалов с применением узлов, изготовленных при помощи 3D печати.

3.1 Отладочная плата STM32F4 Discovery

В изготавливаемом устройстве используется отладочная плата STM32F4 Discovery на базе микроконтроллера STM32F407VG, с помощью которого осуществляется инициализация датчика GY-521 а также преобразование полученных величин и управление двигателем постоянного тока через драйвер L298N.

Общий вид платы представлен на рисунке 3.1.

Общий вид отладочной платы

Рисунок 3.1 – Общий вид отладочной платы

Основные характеристики платы [2]:

3.2 Двигатель постоянного тока

Двигателем постоянного тока (ДПТ) – есть электрическая машина, которая преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию. Существуют двигатели униполярного, коллекторного и бесколлекторного исполнения. В данной работе используется коллекторный ДПТ, общий вид которого представлен на рисунке 3.2.

Общий вид коллекторного ДПТ

Рисунок 3.2 – Общий вид коллекторного ДПТ

Конструктивно коллекторный двигатель состоит из таких основных частей: статор (индуктор), ротор (якорь), коллектор и щеточные скользящие контакты.

Статор (индуктор) – неподвижная часть двигателя, служит для создания постоянного магнитного поля машины. Его собирают из постоянных магнитов (в случае маломощных микродвигателей), или из электромагнитов с обмотками возбуждения. Статор микродвигателей зачастую имеет одну или две пары полюсов.

Коллектор и щёточные контакты образуют собой щёточно-коллекторный узел, который выполняет функции переключателя тока между обмотками якоря, а также является датчиком углового положения ротора.

3.3 Драйвер двигателя L298N

Для управления ДПТ используется двухканальный драйвер L298N, который состоит из двух Н-мостов, выполненных на базе транзисторов и шунтирующих диодов, для обеспечения обратной проводимости. Общий вид драйвера L298N представлен на рисунке 3.3. [3].

Общий вид драйвера L298N

Рисунок 3.3 – Общий вид драйвера L298N

Основные характеристики драйвера [3]:

Управляющие импульсы поступают из платы STM32 Discovery. Контакты enA дают сигнал на открытие ключей в Н-мостах, in1 и in2 отвечают за переключение плечей мостов, следовательно за изменение направления тока в обмотках, реверсирование двигателя.

3.4 Модуль GY-521

Микросхема MPU-6050 является главным элементом модуля GY-521. MPU-6050 содержит в себе трех осевой MEMS гироскоп с 16 битным АЦП, трех осевой MEMS акселерометр с 16 битным АЦП а также датчик температуры. Модуль содержит всю необходимую обвязку для подключения микросхемы и стабилизации напряжения питания 3 В [4]. На модуле также присутствуют подтягивающие SMD резисторы для шины I2C, индикатор питания модуля а также светодиод индикации питания. Общий вид модуля представлен на рисунке 3.4.

Общий вид модуля GY-521

Рисунок 3.4 – Общий вид модуля GY-521

Гироскоп и акселерометр являют собой микроэлектромеханические системы (MEMS). Такая система состоят из микромеханических и электронных компонентов. Общий вид MEMS системы представлен на рисунке 3.5.

Общий вид MEMS датчика

Рисунок 3.5 – Общий вид MEMS датчика

В общем, работа таких датчиков исходя из конструкции состоит в следующем: в неподвижном состоянии груз, который находится на подвесах остаётся в равновесии, и ёмкость на обкладках конденсаторов неизменна. Отклонение по какой-либо оси ведёт к смещению подвешенного груза в сторону, что повлечёт за собой изменение расстояния между обкладками конденсатора, а следовательно и ёмкости. Дальше полученные данные усиливаются, проходят через ряд фильтров и поступают на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), который производит оцифровку данных полученных из конденсаторов. После этого данные готовы к отправке по одному из интерфейсов передачи для дальнейшей обработки.

Работа с модулем производится посредствам протокола I2C, путём обращения к соответствующим регистрам микросхемы. Всего в арсенале микросхемы 117 регистров 8-ми битной структуры [5], которые позволяют наладить связь с устройством, осуществить передачу данных акселерометра и гироскопа, настроить их диапазон и шкалу измерений т.д.

3.5 Несущая конструкция

Нельзя не отметить, что конструкция, на которой будет установлено оборудование играет большую роль в работе механизма. Очень важно добиться жесткости конструкции, при этом максимально уменьшив вес, так как громоздкий и тяжелый стедикам будет неудобен для использования.

Главным элементом являются пластиковые соединения профилей и крепления двигателей, изготовленные с помощью 3D печати. Для печати на 3D принтере были созданы детали в программе КОМПАС3D, после чего деталь переводится в формат .stl, распознаваемый управляющей программой принтера (рисунок 3.6).

Деталь в КОМПАС3D

Рисунок 3.6 – Деталь в КОМПАС3D

Далее, для непосредственной связи с 3D принтером и задания ему деталей на печать, была использована программа Repetier-Host 2.0. В данном программном пакете необходимо открыть деталь с соответствующим расширением, и расположив в необходимом месте печатного стола произвести "слайсинг" детали. Эта процедура настройки печати конкретной детали, где можно изменить необходимые настройки, от которых будет зависеть качество готовой заготовки. Тут можно настроить толщину и количество верхнего и нижнего слоёв, количество периметров (стенок) заготовки, процентное содержание заполнения детали (от чего зависит скорость печати и прочность детали), также можно выставить необходимые поддержки, скорости перемещения экструдера в разных режимах, работу стола, экструдера и т.д.

К примеру, та же деталь с 25% заполнения, выполненная в слайсере CuraEngine (рисунок 3.7).

Деталь после обработки в программе Repetier-Host

Рисунок 3.7 – Деталь после обработки в программе Repetier-Host

Таким способом были изготовлены детали для крепления двигателей к алюминиевым профилям, угловые соединения между профилями и полосами (рисунок 3.8).

Распечатанная деталь

Рисунок 3.8 – Распечатанная деталь

На полученную раму крепится остальное вышеописанное оборудование, а также крепится площадка для фотокамеры, укладываются провода.

4. Принцип работы устройства

Алгоритм работы устройства.

Проектируемое устройство представляет собой систему позиционного электропривода с тремя двигателями постоянного тока, управляемыми с помощью драйверов L298N по заданной программе, записанной в отладочной плате STM32F4.

Система автоматического управления двигателями состоит из одного контура с замкнутой обратной связью по положению в пространстве посредствам датчиков, расположенных в MPU-6050.

Структурная схема системы управления представлена на рисунке 4.1.

Структурная схема системы управления

Рисунок 4.1 – Структурная схема системы управления

Подключив устройство к питанию, происходит запуск программы, заложенной в микроконтроллер. В ходе программы происходит инициализация периферии микроконтроллера, настройка протоколов передачи данных с датчиком и с компьютером, запускается цикл инициализации и настройки MPU-6050. После выполнения описанных выше этапов, и в случае успешной инициализации датчика, контроллер включает в программу непрерывный цикл чтения и обработки данных с шести осей модуля с последующей калибровкой и преобразованием величин для вывода сигналов управления на драйверы L298N.

Для удобства, представим систему управления в виде контура управления одним двигателем (рисунок 4.2).

Система управления двигателем

Рисунок 4.2 – Система управления двигателем
(анимация: 6 кадров, 10 циклов повторения, 10.7 килобайт)
(x – сигнал задания, e – сигнал рассогласования, u – выходной сигнал регулятора; g – возмущающее воздействие;
y – фактическое положение ОР; m – шум измерений; f – данные обратной связи по положению)

Работа системы стабилизации состоит в следующем: задание на положение в пространстве (x), определяется двухосевым джойстиком (или по умолчанию равно нулю), при отклонении датчика (g), в пространстве на определённый угол от заданного положения, возникает угол сигнал рассогласования (e), между заданием и сигналом обратной связи (f). Обработка сигнала рассогласования происходит программно и после ряда преобразований поступает на ПИД-регулятор. Выходом ПИД-регулятора есть сигнал управления каналами драйвера (u), который представляет собой ШИМ сигнал. Драйвер, в соответствии с управляющими импульсами, производит переключение пар ключей H-моста, в диагональ которого включен ДПТ, в результате чего вал двигателя начинает вращаться в одну или в другую сторону в зависимости от задания, обеспечивая указанное положение ОР (y). Контур замкнут отрицательной обратной связью по положению (f), в роли датчика выступает модуль GY-521 с установленным на нем MPU-6050. На обратную связь действуют шумы измерений (m), вызванные не идеальностью датчика а также внешними возмущениями.

Как видно по структурной схеме (рисунок 4.1), в системе происходит обмен данными между контроллером STM32 и MPU-6050 посредствам протокола передачи данных I2C. Прошивка платы осуществляется через программный пакет MATLAB через USB. Для настройки регуляторов в реальном времени, а также для отладки работы MPU-6050 используется USB-TTL переходник с передачей данных по UART.

Фильтрация сигнала датчика.

При работе с MEMS датчиками, в особенностями с акселерометрами, необходимо применять фильтрацию сигнала для повышения качества регулирования ввиду их высокой чувствительности. Таким образом, в представленной работе был использован простейший комплементарный фильтр. Суть работы фильтра поясняется на рисунке 4.3.

Алгоритм работы комплементарного фильтра

Рисунок 4.3 – Алгоритм работы комплементарного фильтра

Выходной сигнал акселерометра фильтруется низкочастотным фильтром, а данные гироскопа для получения угла поворота из угловой скорости – интегрируются. После чего, в ходе математических преобразований, данные одного и другого датчика суммируются и компенсируют друг друга.

В ходе работы были получены следующие графики: график при включении стедикама (рисунок 4.4), график при включении системы управления без подключения силового питания на двигатели.

Графики при включении стедикама (ось Х)

Рисунок 4.4 – Графики при включении стедикама (ось Х)

Графики при включении MPU-6050 без питания ЭП (ось Х)

Рисунок 4.5 – Графики при включении MPU-6050 без питания ЭП (ось Х)

Исходя из полученных графиков можно видеть, что в статическом режиме, из-за наличия интегратора, данные гироскопа теряют свои начальные показания и происходит так называемый дрейф нуля, что негативно сказывается на процессе регулирования.

На рисунке 4.6 приведен график отработки задания на положение по оси Y. Задание на положение вводится с помощью джойстика KY-023.

Графики отработки задания на положение по оси Y

Рисунок 4.6 – Графики отработки задания на положение по оси Y

До момента времени 0.7 сек., можно увидеть отработку возмущающего воздействия при движении стедикама вверх и вниз, сигнал задания задан программно и равен нулю. С момента времени 0.7, на графике продемонстрировано, как двигатель оси Y отрабатывает внешний сигнал задания из джойстика.

Выводы

3D стабилизатор является устройством для съемки в движении с целью получения качественной картинки и плавного перехода кадров. Устройство конструктивно имеет возможность балансировки камеры для уменьшения действия угловых нагрузок. Также стедикам легко перепрограммировать с помощью программного пакета MATLAB и вносить корректировки в работу регуляторов положения в режиме реального времени, что достаточно удобно при отладке системы.

Устройство можно также считать стендом для работы с позиционным электроприводом, на котором можно практиковаться с настройкой ПИД-регулятора положения а также увидеть результат настроек.

В результате разработки, был собран 3D стабилизатор для съемки в движении, при доработке которого можно получить готовое устройство, не уступающее серийным, а главное на порядок дешевле.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Steadicam. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Steadicam.
  2. Отладочная плата STM32F4 Discovery. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://robotosha.ru/stm32/…
  3. L298 Dataseet – STMicroelectronics. DUAL FULL-BRIDGE DRIVER L298.
  4. MPU-6000 and MPU-6050 Register Map and Descriptions Revision 4.0, DataSeet №RM-MPU-6000A-00.
  5. MPU-6000 and MPU-6050 Register Map and Descriptions Revision 4.0, RegisterMap №RM-MPU-6000A-00.
  6. МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/…
  7. STMicroelectronics. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.st.com/content/st_com/…
  8. Системы регулирования положения. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studfiles.net/…