پایان نامه ربات تعقیب کننده خط

پایان نامه مقطع کاردانی

سال 1386

ربات های مسير ياب به طور کلی از موتور های DC استفاده می کنند که مهمترين اشکال آنها دقيق نبودن موتور های DC می باشد به همين دليل در اين پروژه از استپ موتور استفاده شده است.

 در اين پروژه از زبان برنامه نويسی BASIC توسط کامپايلر BASCOM استفاده شده است.آشنايی قبلي با اين زبان و راحتی کار با زبان بيسيک از دلايل استفاده از اين کامپايلر می باشد.علاوه بر مطالب ذکر شده تراشه های AVR دارای معماری خاصی می باشند که کار را برای استفاده از زبان های برنامه نويسی سطح بالا (HLL:High Level Languages) آسان کرده است.

سنسور های به کار رفته در اين پروژه سنسورهای مادون قرمز فرستنده-گيرنده  به صورت يک پک هستند که برای توليد پالس منطقی قابل دريافت توسط ميکرو کنترلر به يک مقايسه کننده وصل شده اند.

يک از مشكلات اين پروژه ، به غير از مشگلات نرم افزاری ، راه اندازی و باياس سنسورها ومشكل ديگر راه اندازی استپ موتور ها بود.

استپ موتور ها به دليل مصرف بسيار بالا باعث داغ شدن آی سی درايور

ULN2003 محصول TEXAS-INSTRUMENTS می شدند که با جايگزينی 4 عدد آی سی ULN2803 محصول TOSHIBA اين مشكل تا حدودی رفع شد.

ولتاژ کاری موتور ها 5 ولت بوده که به دليل استفاده از منبع تغذيه 5 ولت احتياجی به رگولاتور ندارند.

فصل اول:

طراحی مکانيک ربات:

طراحی مکانيک ربات می تواند به روش های مختلفی انجام شود.يکی از اين روش ها استفاده از دو استپ موتور که به چرخ ها به طور مستقيم وصل شده اند به همراه يک چرخ هرزگرد می باشد.

برای چرخ هرزگرد می توان از يک بلبرينگ چشمی استفاده نمود.چرخ ها نيز مستقيما به محور استپ موتور ها وصل می شوند.به اين روش ساخت ربات روش تانکي گفته می شود.به اين دليل که ربات همانند تانک حرکت می کند.يعنی توانايی حرکت در جا را داراست.

برای ساخت بدنه يا شاسی ربات يک تکه ورق آلومينيوم را به صورت دايره بريده و سپس لبه های کناری آن را به شکل زير بر می گردانيم و موتور ها ها را لبه های کناری ورق آلومينيوم پيچ می کنيم.(شکل 1-1 و شکل 2-1)

شکل 1-1 : ورق آلومينيوم بريده شده از بالا برای استفاده به عنوان شاسی (از بالا)

شکل 2-1 : شکل شاسی از کنار

پس از بريدن ورق آلومينيوم موتور را همانند شکل زير به شاسی پيچ می کنيم

طرح کلی عملکرد ربات:

4

اساس کار ربات نقاش به اين شکل است که ابتدا ربات را بر روی يکی از اضلاع شکل مورد نظر (در اينجا مربع يا مستطيل) قرار می دهيم.در ابتدا ربات دارای 7 سنسور به شکل زير بود:

3

2

1

6

5

0

شکل 7-1 : ترتيب قرار گرفتن سنسور ها از بالا

که به دليل مشكلاتی که تعدد سنسور ها بوجود می آورد ،تنها از سنسور های 1و0و5 استفاده شد . در صورتی که ربات بر روی خط قرار بگيرد سنسور   0 که خط را می بيند دستور حرکت به جلو را ربات صادر می کند.دليل وجود سنسور های2و6و4و3 اين است که ابتدا ربات به گونه ای طراحی شده بود که از اين سنسور ها استفاده می شد.ولی با توجه به اينکه آن طرح با اشکال مواجه شد اين سنسور ها حذف شدند.سنسور های 1 و 5 برای جلوگيری از انحراف ربات به کار رفته اند.چنانچه سنسور 1 خط را ببيند ربات ربات به سمت راست تغيير مسير دهد و چنانچه سنسور 5 خط را ببيند ربات بايد به سمت چپ تغيير مسير دهد. عمل به خاطر سپاری  در ربات از همان ابتدا شروع به کار ربات انجام می پذيرد.

فصل دوم : موتور های پله ای

موتور پله‌اي چيست و مشخصه‌هاي اساسي آن كدامند؟

شكل 1-2 مقطع عرضي ساختار يك موتور پله‌اي مدرن نمونه را نشان مي‌دهد؛ اين موتور به نام موتور رلوكتانس متغير تك‌پشته‌اي خوانده مي‌شود. ما در ابتدا با استفاده از اين شكل نحوه عملكرد اين ماشين را مطالعه خواهيم كرد. هسته استاتور داراي شش قطب يا دندانه برجسته مي‌باشد، روتور هم داراي چهار قطب است، هر دو هسته روتور و استاتور از جنس پولاد نرم هستند. سه دسته سيم پيچي همانطور كه در شكل نشان داده شده، آرايش داده شده‌اند. هر دسته داراي دو كلاف است كه بصورت سري متصل شده‌اند. يك دسته از سيم‌پيچي‌ها فاز ناميده مي‌شود، و نتيجتاً اين ماشين يك موتور سه فاز است. جريان از يك منبع تغذيه DC از طريق كليد‌هاي I، II ، III به سيم‌پيچي‌ها تامين مي‌شود. در وضعيت (1)، سيم‌پيچي فاز I از طريق جريان كليد I تغذيه مي‌شود، يه به اصطلاح فني فاز I تحريك مي‌شود؛ شار مغناطيسي ناشي از تحريك كه در فاصله هوايي واقع مي‌شود با پيكانهايي نشان داده شده است. در وضعيت (1)، دو قطب برجسته استاتور فاز I كه تحريك شده‌اند با دو دندانه از چهار دندانه روتور همرديف هستند. اين حالت از نظر ديناميكي يك حالت تعادل است. هنگاميكه كليد II براي تحريك فاز II علوه بر فاز I بسته مي‌شود شار مغناطيسي در قطبهاي استاتور فاز II به حالت نشان داده شده در وضعيت (2) بوجود مي‌آيد، و گشتاوري در جهت عكس ساعتگرد بعلت كشش در خطوط خميده ميدان مغناطيسي بوجود مي‌آيد. از اين رو روتر سرانجام به وضعيت (3) خواهد رسيد.

از اين رو روتور با يك زاويه ثابت مي‌چرخد، كه زاويه پله خوانده مي‌شود، كه در اين مورد  با انجام هر عمل سوئيچينگ است. اكنون اگر كليد I براي تخليه انرژي فاز I باز شود، روتور  ديگر براي رسيدن به وضعيت (4) حركت خواهد كرد.

موقعيت زاويه‌اي روتور را مي‌توان برحسب واحدهاي زاويه پله از طريق فرايند سوئيچينگ سرد كرد. اگر سوئيچينگ به ترتيب انجام شود، روتور با حركتي پله‌اي خواهد چرخيد، سرعت متوسط را هم مي‌توان از طريق فرايند سوئيچينگ كنترل كرد.

امروزه، ادوات حالت جامد بعنوان سوئيچينگ الكترونيكي در درايو يك موتور پله‌اي بكار مي‌روند، و سيگنالهاي سوئيچينگ توسط  ICهاي ديجيتال يا ريزپردازنده توليد مي‌شوند. همانطور كه در بالا ذكر شد، موتور پله‌اي يك موتور الكتريكي است كه ورودي الكتريكي ديجيتال را به يك حركت مكانيكي تبديل مي‌‌كند. در مقايسه با ديگر ادواتي كه مي‌توانند اعمال مشابه يا يكساني را انجام دهند، سيستم كنترلي كه از يك موتور پله‌اي بهره مي‌برد داراي چندين مزيت مشخص بترتيب زير است:

معمولاً به هيچ فيدبكي براي كنترل موقعيت يا كنترل سرعت نياز نمي‌باشد.

خطاي موقعيت جمع ناپذير است.

موتورهاي پله‌اي با تجهيزات ديجيتال مدرن ناسازگار هستند.

به اين دلايل , انواع و كلاس‌هاي مختلف موتورهاي پله‌اي در لوازم جانبي كامپيوتر، دستگاههاي خودكار، و سيستم‌هاي مشابه به كار رفته‌اند.

شکل 1-2 اساس يک موتور پله ای رلوکتانس متغير

شکل2-2 سيستم درايو مدرن براي يک موتور پله ای

شکل 3-2 يک موتور پله ای به کار رفته در ناوهای جنگی انگلستان در دهه 1920؛(a)موتور؛(b)کليدگردان

طبقه‌بندي موتورهاي پله‌اي

انواع مختلفي از موتورهاي الكتريكي بكار برده مي‌شوند، و موتورپله‌اي را مي‌توان براساس ساختار ماشين و اساس عملكرد به چندين نوع طبقه‌بندي كرد.

موتور VR

موتورپله‌اي رلوكتانس متغير، يا به اختصار موتور VR، ممكن است بعنوان ابتدايي‌ترين نوع موتورپله‌اي مطرح شود. ساختار داخلي يك موتور VR در شكل 4-2 نشان داده شده است. دياگرام مقطع عرضي يك موتور ساده در اين طبقه‌بندي براحتي تشريح اصول اساسي موتور در شكل 5-2 نشان داده شده است. اين موتور سه فاز داراي شش دندانه استاتور است. هر دو دندانه متقابل استاتور، كه از يكديگر  فاصله دارند، داراي يك فاز مي‌باشند؛ به اين معني كه كلافهاي هر دندانه متقابل بصورت سري يا موازي متصل شده‌اند. (در شكل بصورت سري متصل شده‌اند) روتور داراي چهار دندانه است.

شکل 4-2 مقطع عرضی يک موتور VR تک پشته ای .

(محصولMINEBEA CO. LTD. )

شکل 5-2 مقطع عرضی مدل موتور پله ای VR سه فاز و ترتيب سيم پيچی

هسته روتور و استاتور معمولاً از فولاد سيلكون متورق ساخته شده‌اند، اما از روتورهاي فولاد سيلكون توپر بسيار زياد استفاده مي‌شود. هر دو مواد استاتور و روتور بايستي قابليت تفوذ‌پذيري بالاي داشته باشند و قادر به عبور شار مغناطيسي زيادي حتي در صورت اعمال نيروي محركه مغناطيسي كم باشند.

بايد ببينيم كه آيا دو دندانه استاتور در يك فاز بايد داراي پلاريته مغناطيسي يكسان باشند يا پلاريته‌هاي مخالف هم. در حاليكه اين موضوع برمسائل ديگر اثر مي‌گذارد، ما دراين مثال فرض مي كنيم كه دو دندانه پلاريته‌هاي مختلف دارند. از اينرو، در شكل5-2 دندانه‌هاي 1، 2 و 3 قطب شمالي و دندانه‌هاي َ1 و َ2 و َ3 قطب جنوبي را به هنگام تحريك تشكيل مي‌دهند.

جريان هر فاز در مد ON/OFF توسط كليدهاي متناظر آن كنترل مي‌شود. اگر جرياني به كلافهاي Ph1 اعمال مي‌شود، يا بعبارت ديگر اگر Ph1 تحريك شود، شار مغناطيسي همانطور كه در شكل 6-2 نشان داده شده مي‌باشد. روتور طوري استقرار خواهد يافت كه دندانه استاتور 1 و َ1 و دو دندانه از روتور همرديف هستند. رلوكتانس مغناطيسي به حداقل مي‌رسد، و اين حالت يك موقعيت تعادل يا سكون را ايجاد مي‌كند. اگر روتور بخاطر برخي گشتاورهاي خارجي اعمال شده و به محور روتور تمايل به خارج‌شدن از حالت تعادل داشته باشد، يك گشتاور بازيابي همانطور كه در شكل 7-2 نشان داده شده توليد خواهد شد. در اين شكل گشتاور خارجي براي چرخاندن روتور در جهت ساعتگرد (CW) اعمال شده است و روتور در جهت مشابه جابجا خواهد شد. اين امر منجر به انحنادار شدن خطوط شار مغناطيسي در سر دندانه‌هاي روتور و استاتور خواهد شد. در پديده موسوم به استرس ماكسول، خطوط مغناطيسي شدت ميدان قدرت كشش زيادي دارند، يا بعبارت ديگر، تا حد امكان تماميل به كوتاه و مستقيم‌شدن (مانند فنرهاي الاستيك) دارند. در شكل 7-2 اين اثر در سر دندانه‌هاي مشاهده مي‌شود، كه باعث ايجاد گشتاور در جهت عكس ساعتگرد براي بازگرداندن روتور به همرديفي با دندانه‌هاي استاتور مي‌شود.

شکل 6-2 موقعيت تعابا فاز 1 تحريک شده

شکل 7-2 خطوط دارای انحنای ميدان مغناطيسی گشتاور ايجاد می کنند.

شکل 8-2 چگونه يک حرکت پله ای به هنگام سوييچينگ تحريک از ph1 به ph2 انجام می گيرد.

شکل 9-2 حرکات پله ای هنگاميکه ترتيب سوييچينگ در يک موتور VR سه فاز انجام می پذيرد.

همانطور كه در اين شكل ديده مي‌شود، هنگامي كه دندانه‌هاي روتور و استاتور در فاز تحريك شده همرديف نيستند، رلوكتانس مغناطيسي بزرگ است. موتور VR بنحوي كار مي‌كند كه رلوكتانس مغناطيسي به حداقل مي‌رسد. حال مي‌خواهيم ببينيم هنگامي كه Ph1 خاموش و Ph2 روشن مي‌شود چه اتفاقي مي‌افتد. رلوكتانس ديده شده موتور از منبع تغذيه DC بطور ناگهاني پس از انجام سوئيچينگ افزايش خواهد يافت. همانطور كه در شكل 8-2 به روشني پيداست روتور مشخصاً به موقعيت قبلي خود باز خواهد گشت. اين مورد در شكل 9-2 نشان داده شده است.

موتور پله‌اي PM ابتدايي

يك موتور پله‌اي با بهره‌گيري از آهنرباي دائمي در روتور بنام موتور آهنرباي دائمي (PM) خوانده مي‌شود. يك موتور PM ابتدايي در شكل10-2 نشان داده شده است، كه از يك آهنرباي دائمي استوانه‌اي بعنوان روتور بهره مي‌گيرد، و داراي چهار دندانه يا قطب در استاتور خود مي‌باشد، همانطور كه بترتيب در (a) و (b) نشان داده  شده است. يك آرايش كلاف نمادين در (b) نشان داده شده است؛ اما (c) آرايش واقعي را نشان مي‌دهد، كه طرح دو رشته‌اي ناميده مي‌شود. دو سيم رويهم بنحوي پيچيده شده اسند كه يكي از سيم‌ها در قطب‌هاي 1 و 3 مي‌باشد، و اين دو سيم براي حفظ استقلال در ترمينال‌ها از هم جدا شده‌اند. حالت مشابهي در قطبهاي 2 و 4 صادق است. ترمينالهاي با علامت  و  كه نشانه "مشترك" مي‌باشند بايد به ترمينال مثبت منبع تغذيه همانطور كه در مدار سوئيچينگ11-2 نشان داده شده متصل مي‌شوند. هنگاميكه سيم A كه با خط پيوسته در (c) نشان داده شده تحريك شود، قطب 1 قطب شمال و قطب 3 يك قطب جنوب توليد مي‌كند. اگر سيم  (كه با خط شكسته در (c) نشان داده شده است) تحريك شود پلاريته عكس مي‌شود . اين آرايش قطب- سيم يك آرايش دو فاز مي‌باشد، با اين حال اگر يك طرح چهار فاز در نظر گرفته شود، قطب‌هاي 1 و 3 شامل فاز A مي‌شوند، و قطب‌هاي 2 و 4 فاز B را تشكيل مي‌دهند.