Index of /rozprawy2/11033

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA im. Stanisława Staszica w Krakowie. Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Robotyki i Mechatroniki. ROZPRAWA DOKTORSKA. PROJEKT ROBOTA INSPEKCYJNEGO DO ZBIORNIKÓW Z CIECZĄ. mgr inż. Konrad Majkut. Promotor dr hab. inż. Mariusz Giergiel. Kraków 2015.

(2) Pragnę złożyć podziękowania dr hab. inż. Mariuszowi Giergielowi za uwagi natury merytorycznej podczas tworzenia pracy doktorskiej.. Dziękuję dr inż. Piotrowi Kohutowi za pomoc w zastosowaniu metod wizyjnych.. Podziękowania kieruję również pod adresem krakowskiego Miejskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji za udostępnienie środowiska do testów prototypu robota..

(3) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. Spis treści Spis ważniejszych oznaczeń i symboli .................................................................................................... 5 1.. Wstęp ............................................................................................................................................... 7 1.1.. Wprowadzenie ......................................................................................................................... 7. 1.2.. Cel i zakres pracy .................................................................................................................... 9. 1.3.. Teza ....................................................................................................................................... 10. 2.. Cel projektu i jego organizacja ...................................................................................................... 11. 3.. Analiza odtwórcza – badanie istniejących rozwiązań ................................................................... 14. 4.. 5.. 3.1.. Wstęp ..................................................................................................................................... 14. 3.2.. Istniejące modele kinematyki pojazdów gąsienicowych ....................................................... 14. 3.3.. Istniejące konstrukcje robotów inspekcyjnych ...................................................................... 16. 3.4.. Istniejące metody inspekcji zbiorników ................................................................................ 19. 3.5.. Wnioski ................................................................................................................................. 21. Analiza twórcza – model dwukołowy w kinematyce pojazdu gąsienicowego.............................. 23 4.1.. Wstęp ..................................................................................................................................... 23. 4.2.. Identyfikacja OSI V modelu – teoria..................................................................................... 25. 4.3.. Identyfikacja rozstawu kół modelu – teoria .......................................................................... 26. 4.4.. Organizacja pomiarów i narzędzia analizy wyników pomiarów........................................... 39. 4.4.1.. Wprowadzenie do eksperymentu pomiarowego............................................................ 39. 4.4.2.. Eksperyment pomiarowy – narzędzia analizy ............................................................... 39. 4.4.2.1.. Stanowisko pomiarowe ......................................................................................... 39. 4.4.2.2.. Pojazd gąsienicowy ............................................................................................... 41. 4.4.2.3.. GML Camera Calibration ...................................................................................... 45. 4.4.2.4.. TEMA AutomotiveTM – narzędzie analizy kinematyki ......................................... 47. 4.4.2.5.. Program POMIAR_PRĘDKOŚCI......................................................................... 52. 4.5.. Identyfikacja OSI V modelu – eksperyment ......................................................................... 55. 4.6.. Identyfikacja rozstawu kół modelu – eksperyment ............................................................... 62. 4.7.. Weryfikacja modelu i wnioski............................................................................................... 75. Analiza twórcza – pozostałe koncepcje ......................................................................................... 81 5.1.. Analiza pracy w zbiornikach ................................................................................................. 81. 5.1.1.. Obszary pracy robota w zbiorniku................................................................................. 85. 5.1.2.. Problem ruchu po pionowej ścianie............................................................................... 86. 5.1.3.. Problem ruchu po pochyłej ścianie................................................................................ 88 3.

(4) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. 6.. 5.2.. Wstępna koncepcja robota inspekcyjnego............................................................................. 89. 5.3.. Koncepcja mechanizmu dokowania sondy na platformie robota inspekcyjnego ................. 92. 5.3.1.. Wstęp ............................................................................................................................. 92. 5.3.2.. Zasada działania systemu dokowania ............................................................................ 97. 5.3.3.. Mechanika systemu dokowania ..................................................................................... 99. 5.3.4.. Symulacja działania systemu dokowania .................................................................... 106. 5.3.5.. Wnioski ....................................................................................................................... 113. Podsumowanie i wnioski końcowe ............................................................................................. 114. Literatura ............................................................................................................................................. 116 Załączniki ............................................................................................................................................ 121 Z1. Istota algorytmu cięciw ............................................................................................................. 121 Z2. Przybliżenie okręgiem z metody najmniejszych kwadratów .................................................... 124 Z3. Makro ESTYMATOR_ŚREDNIC ........................................................................................... 127 Z4. Makro BŁĄD_ESTYMATORA_ŚREDNICY ......................................................................... 130. 4.

(5) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. Spis ważniejszych oznaczeń i symboli β – orientacja robota gąsienicowego/modelu zastępczego względem układu związanego z podłożem B – odległość pomiędzy wzdłużnymi osiami symetrii gąsienic 1. – wartość bajtu wyrażona w systemie dziesiętnym (0 – 255). 2. – wartość bajtu wyrażona w systemie dziesiętnym (0 – 255). – odległość koła modelu od wzdłużnej osi symetrii prawej gąsienicy. ℎ. ℎ. – odległość koła modelu od wzdłużnej osi symetrii lewej gąsienicy − odległość OSI V od wybranych punktów na korpusie pojazdu obciążonego z tyłu − odległość OSI V od wybranych punktów na korpusie pojazdu obciążonego z przodu =. – poślizg lewej gąsienicy. =. – poślizg prawej gąsienicy. KOREKTA L – empiryczny współczynnik liniowy dla koła lewego KOREKTA P – empiryczny współczynnik liniowy dla koła prawego lSx – odległość punktu S od punktu O1 w osi x układu związanego z korpusem pojazdu lSy – odległość punktu S od punktu O1 w osi y układu związanego z korpusem pojazdu r – promień koła napędowego (ogólnie) rL = r3 – promień lewego koła napędowego rR = r2 – promień prawego koła napędowego r. – promień koła wirtualnego modelu zastępczego. R – promień trajektorii pojazdu/modelu (ogólnie) RS – promień trajektorii dowolnie wybranego punktu S na korpusie pojazdu względem podłoża – wektor położenia punktu. na obwodzie prawego koła napędowego względem układu i. – wektor położenia punktu. na obwodzie lewego koła napędowego względem układu i. Tij – macierz transformacji układu i do układu j. Φ – orientacja robota gąsienicowego/modelu zastępczego względem układu związanego z podłożem 5.

(6) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. ω = " = #" − szybkość zmiany orientacji robota gąsienicowego/modelu zastępczego $ = %" – prędkość obrotowa lewego koła napędowego. $ = %" – prędkość obrotowa prawego koła napędowego. $& – prędkość kątowa koła wirtualnego modelu zastępczego '( = * = '+ – prędkość bezwzględna lewej gąsienicy. '( – prędkość lewej gąsienicy wynikająca z obrotów lewego koła napędowego. ' – prędkość unoszenia środka koła wirtualnego modelu zastępczego ', = * = '+ – prędkość bezwzględna prawej gąsienicy. ', – prędkość prawej gąsienicy wynikająca z obrotów prawego koła napędowego. '- – prędkość dowolnie wybranego punktu S na korpusie pojazdu względem podłoża. 6.

(7) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. 1. Wstęp 1.1.. Wprowadzenie. Niniejsza. praca. stanowi. podsumowanie. wkładu. autora. włożonego. w. szersze. przedsięwzięcie – projekt zespołowy „Mechatroniczne projektowanie robotów do diagnostyki i konserwacji zbiorników z cieczą” finansowane w ramach grantu. W erze gwałtownej ekspansji robotyki na praktycznie wszystkie dziedziny techniki, Katedra Robotyki i Mechatroniki wydaje się być właściwym miejscem na prowadzenie badań. nad. związane ich. z. nowymi. rozwiązaniami.. poprawieniem. komfortu. i. Istotnie,. wydajności. bezpieczeństwa.. wciąż. pracy. Kluczem. lub. do. pojawiają produkcji. otwarcia. się. a. drzwi. nowe. także. potrzeby. zwiększeniem. procesu. badawczego. jest znalezienie właśnie potrzeby, która nadaje sens całemu działaniu zespołu badawczego. W. przypadku. niniejszej. pracy. doktorskiej. potrzebę. stanowi. poprawienie. wydajności. i zwiększenie opłacalności inspekcji zbiorników magazynujących ciecz. Ponieważ tradycyjnie do. tej. czynności. zatrudnia. się. przeszkolonych. pracowników,. dlatego. istnieje w. tym. wypadku klasyczny problem wyręczenia człowieka maszyną. Należy zatem określić funkcje jakie do tej pory były wykonywane przez pracowników. Wymaga to konsultacji zespołu projektowego z ekipami inspekcyjnymi celem określenia szczegółów wykonywanych czynności. Czasem. istnieje. potrzeba. wielokrotnego. powrotu. do. tego. samego. problemu. i przedyskutowania go na nowo. W każdej tego typu sytuacji – o ile jest to możliwe – należy dokonać porównania cech człowieka z cechami robota w zestawieniu z kosztami wytworzenia. i. eksploatacji. by. podjąć. decyzję. dotyczącą. sensowności. robotyzacji.. Aby przynajmniej częściowo uporządkować proces projektowy, autor zaproponował algorytm projektu w postaci schematu blokowego. Algorytm ma na celu zasygnalizowanie, co powinno być punktem wyjścia do dalszych działań a także pomaga w pewnym stopniu zorganizować dokumentację czy też strukturę ekipy konstruktorskiej. Bardzo istotną rolę w projekcie odgrywa tzw. analiza odtwórcza czyli analiza istniejących rozwiązań – zarówno robotów mobilnych – ze względu na sposób przemieszczania się, manipulowania, sposobu zasilania itp. jak. również. zastosowanych. metod. diagnostyki. kondycji. zbiorników.. W. poprawnie. przeprowadzonym projekcie – zdaniem autora – powinna to być jedna z pierwszych o ile nie pierwsza wykonana czynność. Efektem analizy odtwórczej powinien być szereg gotowych rozwiązań nurtujących problemów. Drugi rodzaj analizy w procesie projektu to tzw. analiza twórcza – etap tworzenia własnych oryginalnych rozwiązań konstrukcyjnych. W ramach tej analizy przeanalizowano dokumentację techniczną zbiornika testowego celem określenia elementów 7.

(8) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą konstrukcji budowli, które mogą mieć zasadniczy wpływ na projekt robota np. nachylenia podłoża, obecność rur, filarów a nawet umiejscowienie i rodzaj włazu. Na podstawie dokumentacji dwuwymiarowej wykonano modele bryłowe zbiornika w programie CATIATM. Pozwoliło to na lepsze zrozumienie otoczenia pracy robota. Modele bryłowe wykorzystano potem w programie 3D STUDIOTM do zrealizowania animacji. W. przypadku. omawianego. projektu zaistniała. nowa. potrzeba – czyszczenie dna zbiornika. Należało więc przedyskutować sposób w jaki można by zrealizować funkcję czyszczenia. Ogólnie, właśnie na etapie analizy twórczej zespół projektowy poszukuje stosownych autorskich koncepcji będących propozycjami do dalszej weryfikacji przez testy.. Faza testów dostarcza odpowiedzi, czy propozycje analizy twórczej i odtwórczej. nadają się do dalszych prac projektowych. Stosując różne kombinacje propozycji podjęto starania by. osiągnąć. cel. czyli. finalną. konstrukcję. robota. wyręczającego. człowieka. w czynnościach inspekcyjnych a nawet wykonującego czynności dodatkowe. W pracy doktorskiej w ramach analizy twórczej podjęto próbę rozwiązania kilku problemów. Niektóre mają charakter czysto techniczny, inne bardziej naukowy jednak wszystkie stanowią elementy procesu projektowego, mając wpływ na całokształt. Najważniejszym problemem jakim zajęto się w pracy jest zagadnienie kinematyki niewielkich (do 40kg) pojazdów gąsienicowych. Wykazano możliwość zastąpienia pojazdu gąsienicowego modelem pojazdu dwukołowego. Przedstawiono. na tej podstawie oryginalny. model. matematyczny. kinematyki. robota. gąsienicowego. Uproszczony – bo zredukowany do modelu dwukołowego – formalizm matematyczny gwarantuje zwiększenie szybkości obliczeń układu sterującego ruchem. Pomimo swej prostoty uwzględnia jednak poślizgi gąsienic. pojazdu wpływające na trajektorię ruchu. Pozwala także. na autokalibrację pojazdu tzn. testowy ruch po nowym podłożu celem określenia współczynników, które będą potem potrzebne. do określania trajektorii ruchu po tym podłożu. Tą możliwość. autokalibracji na różnych podłożach można określić mianem funkcji adaptacyjnej – pojazd sam będzie mógł tworzyć bazę danych parametrów kinematyki na różnych podłożach by potem, rozpoznając teren, podjąć autonomiczną decyzję co do ich wartości. W ten sposób pojazd zyskuje jeszcze większą samodzielność w podejmowaniu decyzji dzięki możliwości adaptacji do danego rodzaju otoczenia. Zasadniczym celem pracy doktorskiej jest pokazanie, że niniejszy model matematyczny może być stosowany we wspomnianych pojazdach (robotach) gąsienicowych i może być skuteczną alternatywą. dla. istniejących. modeli. kinematyki. niewielkich. pojazdów. gąsienicowych.. Weryfikacji modelu dokonano za pomocą metod wizyjnych, umieszczając specjalne markery na pojeździe i analizując trajektorie ich ruchu. Do analizy niezbędny okazał się program TEMA AutomotiveTM. Ze względu na interesujące z punktu widzenia kinematyki wielkości opisujące ruch np. prędkości kątowe kół zastosowano układ pomiarowy wyposażony w enkodery sprzężone z kołami. Enkodery mają bardzo duże znaczenie na etapie autokalibracji. Ze względu na wymóg stosownych 8.

(9) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą przebiegów oraz wartości prędkości kół napędowych, umożliwiają one stały nadzór i ewentualną korekcję. Dla celów testowych przygotowany został niewielki pojazd gąsienicowy.. .. Oprócz tematu głównego podjęto także tematy poboczne np. badanie wpływu gabarytów robota na układ sił działających na niego podczas poruszania się w zbiorniku z cieczą. Sprawdzono przypadki poruszania się po ścianach pod kątem. W miarę możliwości sparametryzowano wielkości najistotniejsze z projektowego punktu widzenia. Następnie dla różnych wartości parametrów przygotowano stosowne wykresy w programie MAPLETM.. .. Z problemów o charakterze technicznym można wymienić opracowanie koncepcji dwumodułowego robota w postaci platformy gąsienicowej oraz rdzenia inspekcyjnego umożliwiającego dotarcie w trudniej dostępne miejsca zbiornika. Opracowano koncepcję ramy robota, wykonano komputerowe. symulacje. wytrzymałościowe. ramy w programie ANSYSTM.. .. Innym problemem, którym zajęto się w pracy jest dokowanie wspomnianego rdzenia na. pokładzie platformy. gąsienicowej. Po zdefiniowaniu modelu mechanizmu, zaproponowano. parametryczny model matematyczny systemu dokowania, w którym wzięto pod uwagę zarówno cechy konstrukcyjne mechanizmu (np. siły napięcia sprężyn, wymiary elementów) jak i czynniki zewnętrzne np. wpływ siły wyporu na dokowany obiekt. W programie CATIATM najpierw zaprojektowano a następnie w module DMU KINEMATICS zasymulowano działanie mechanizmu dokowania, jednocześnie weryfikując zgodność z modelem matematycznym. Koncepcja mechanizmu na czas tworzenia pracy doktorskiej jest w fazie rejestracji patentowej. Dodatkowo w oparciu o model teoretyczny skonstruowano rzeczywisty mechanizm celem sprawdzenia jego działania w realnych warunkach. Do technicznych problemów, których próbę rozwiązania podjęto w tej pracy należy również znalezienie odpowiedzi na temat poruszania się po pionowych ścianach ewentualnie po stropie zbiornika. Także i w tym przypadku przeanalizowano istniejące rozwiązania, zaproponowano własne a następnie zweryfikowano sensowność ich zastosowania w projekcie.. 1.2.. Cel i zakres pracy. Celem pracy doktorskiej jest analiza kinematyki robota gąsienicowego oraz weryfikacja eksperymentalna zaproponowanego przez autora modelu matematycznego. Skonstruowany został pojazd gąsienicowy wyposażony w silniki, enkodery oraz sterowanie radiowe. Został on oznakowany markerami w celu zbadania jego trajektorii za pomocą metod wizyjnych. W pracy przedstawiono analityczny model matematyczny jego ruchu. Na podstawie tego modelu zasymulowano ruch pojazdu po łuku i porównano z rzeczywistym przejazdem.. 9.

(10) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą Poza tym celem pracy jest prezentacja autorskich technicznych rozwiązań jak modułowa koncepcja. robota,. propozycja. ramy. platformy. gąsienicowej,. mechanizm. podwodnego. dokowania sondy na platformie gąsienicowej oraz propozycje sposobu przemieszczania się po ścianach zbiornika.. 1.3.. Teza. Kinematykę pojazdu gąsienicowego można opisać za pomocą modelu dwukołowego.. 10.

(11) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. 2. Cel projektu i jego organizacja Celem. projektu. jest. opracowanie. oryginalnej. konstrukcji. pojazdu. inspekcyjnego. umożliwiającego określenie stanu technicznego betonowych konstrukcji zbiorników magazynujących ciecz (najczęściej wodę). Podstawowe założenie projektowe: praca w warunkach zanurzenia w cieczy na głębokościach do kilkunastu metrów. Spełnienie tego założenia ma fundamentalny wpływ na obniżenie kosztów procedury inspekcyjnej, gdyż dotychczasowe metody wymagają najczęściej opróżniania zbiorników, co niesie za sobą długie (ok. jednego miesiąca) przestoje. To z kolei znacznie obarcza budżet przedsiębiorstwa zmuszonego do wyłączenia zbiornika/ów z użytku. Inne zalety zastąpienia. tradycyjnych. metod. inspekcyjnych. robotem. to:. szybsza. inspekcja,. bezpieczeństwo i komfort oraz szerszy wachlarz dostępnych metod inspekcji.. większe …….. We wstępie pracy wspomniano o potrzebie zorganizowania procesu projektowego tak, by wyłoniły się z niego przynajmniej podstawowe etapy, które można ująć schematem blokowym.. Rys.2.1. Algorytm procesu projektu – etapy analizy i syntezy projektu [16]. 11.

(12) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą Na rys.2.1 oraz rys.2.2 przedstawiono algorytm projektu. Można wyróżnić cztery podstawowe etapy projektu robota inspekcyjnego: analiza problemów konstrukcyjnych, synteza, testy (uwzględniające ewentualne poprawki) i testy dopełniające (po sprzedaży bądź oddaniu do użytku). Na rys.2.1 przedstawiono dwa pierwsze etapy projektu. Pierwszy etap – analiza – został podzielony na część odtwórczą i twórczą. Analiza odtwórcza polega przede wszystkim na poszukiwaniu istniejących rozwiązań konstrukcyjnych robotów poruszających się w zbiornikach. Położony jest tu nacisk na znalezienie najlepszego rozwiązania pod. względem mobilności. istniejące. metody. urządzenia.. detekcji uszkodzeń. Oprócz. tego. struktury ścian. poszukiwane są w tej części analizy zbiorników. Analiza twórcza jest tą. częścią projektu, którą można określić mianem trzonu całego projektu. Jest to najtrudniejszy etap, podczas którego. cała. uwaga jest skoncentrowana. na znalezieniu możliwie jak najlepszego. pomysłu na konstrukcję robota w pełni zastępującego funkcje dotychczas. wykonywane. przez ekipy inspektorów.. Rys.2.2. Algorytm procesu projektu – etapy testów [16]. 12.

(13) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą W następnym etapie, czyli syntezie następuje weryfikacja dotychczas znalezionych propozycji aby wyłonić te, które mogą być zastosowane w prototypie urządzenia. Trzeci etap (przedstawiony na rys.2.2) polega na testowaniu prototypu i jego modyfikacjach. Wreszcie czwarty etap to ewentualne testy finalnego urządzenia po sprzedaży bądź oddaniu do użytku, mające na celu skorygowanie niewielkich dysfunkcji, na które nie zwrócono uwagi podczas tworzenia prototypu.. 13.

(14) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. 3. Analiza odtwórcza – badanie istniejących rozwiązań 3.1.. Wstęp. Głównym zadaniem analizy odtwórczej jest znalezienie istniejących modeli kinematyki pojazdów gąsienicowych. Mają być one punktem odniesienia w stosunku do proponowanego w tej pracy modelu. Na podstawie tej analizy wyciągnięto wnioski pod kątem cech wyróżniających autorski model na tle istniejących w literaturze. Ponadto w ramach analizy odtwórczej dokonano przeglądu istniejących konstrukcji robotów inspekcyjnych oraz metod detekcji uszkodzeń zbiorników. W tym celu skorzystano z baz danych Urzędu Patentowego RP [54], międzynarodowej bazy danych – Espacenet [55] oraz wszelkich dostępnych informacji, które oferuje internet.. 3.2.. Istniejące modele kinematyki pojazdów gąsienicowych. Przegląd literatury dostarczył kluczowych informacji na temat dotychczas stosowanych modeli kinematycznych robotów gąsienicowych. Przykład przedstawiono na rys.3.1.. Rys.3.1.. Przykładowy model kinematyki [8]. Na podstawie rysunku zbudowano w publikacji model kinematyczny opisany wzorami (3.1). Widać, że parametry kinematyczne zależą m.in. od dwóch współczynników poślizgu –. oraz. .. 14.

(15) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą r ." = [$ 01 − 2. 2 + $ 01 −. 5" = −." 67%. r ψ" = [$ 01 − 2b gdzie:. 2 − $ 01 −. 2] 2]. (3.1). $ – prędkość obrotowa lewego koła napędowego. $ – prędkość obrotowa prawego koła napędowego – poślizg lewej gąsienicy. – poślizg prawej gąsienicy r – promień koła napędowego oraz: = gdzie:. r9 $ − * , : . 0; $ , * 2. =. r= $ − * : . 0; $ , * 2. (3.2). r9 = r= = r – prędkość obrotowa lewego koła napędowego * – prędkość bezwzględna lewego koła napędowego. * – prędkość bezwzględna prawego koła napędowego. Współczynniki poślizgu są bezwymiarowe i wyrażają się relacjami (3.2). Podobny model tego typu jest wykorzystany w pracach [25], [43], [51], [52]. Z kolei w pracy [10] zaprezentowano model widoczny na rys.3.2. Wzory (3.3) opisują ten model również za pomocą bezwymiarowych współczynników poślizgu jakkolwiek różnice polegają głównie na postaci równań parametrów kinematyki oraz oznaczeniach.. ." =. ', 01 − . , 2 +. '( 01 − ( 2. >?@ Θ 2 ', 01 − , 2 + '( 01 − ( 2 5" = @ AΘ 2. .. Θ" =. ', 01 − . , 2 +. 2B. '( 01 − ( 2. (3.3). 15.

(16) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą gdzie: – poślizg prawej gąsienicy – poślizg lewej gąsienicy. '( , ', – prędkości gąsienic wynikające z obrotów kół napędowych. '( , ', – prędkości bezwzględne gąsienic (. Rys.3.2.. ). '( 1 '( , '(. ,. ). ', 1 ', ',. (3.4). Przykładowy model kinematyki [10]. Także w przypadku relacji (3.4) widać podobieństwo do zależności (3.2). Oto lista publikacji, w których model kinematyczny pojazdu gąsienicowego opiera się o współczynniki poślizgu: [18], [22], [30], [31], [34] oraz [36]. Wśród polskich publikacji na ten temat można wymienić prace [2], [5] oraz [6].. 3.3.. Istniejące konstrukcje robotów inspekcyjnych. Zdecydowana większość robotów inspekcyjnych do zbiorników z cieczą jest przeznaczona do zbiorników metalowych. Przeważają. propozycje z USA oraz Japonii. Neptune opracowany. na uniwersytecie Carnegie Mellon (rys.3.3A, [41]), jest robotem z napędem gąsienicowym. Dzięki zastosowaniu magnetycznych elementów gąsienicy, istnieje możliwość poruszania się po pionowych ścianach stalowych zbiorników. W celu orientacji w przestrzeni zastosowano system akustyczny oparty na triangulacji. Robota wyposażono w oświetlenie halogenowe/LED. Do detekcji 16.

(17) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą wykorzystano również ultradźwięki a także czujniki ciśnienia i temperatury cieczy. Niewielkie wymiary robota umożliwiają łatwy transport i swobodne poruszanie się w zbiornikach o różnych rozmiarach i kształtach. Sterowanie odbywa się za pomocą konsoli, w której skład wchodzi centralny komputer sterujący, system zasilania, ekran wyświetlający obraz z wnętrza zbiornika, interfejs telemetryczny, joystick oraz osobny komputer klasy IBM, dzięki któremu możliwe jest śledzenie na bieżąco bądź w trybie post-procesowym, grubości ścian zbiornika.. Rys.3.3. Istniejące roboty inspekcyjne. Innym przykładem może być robot MAVERICK firmy Solex Robotics (USA, rys.3.3B, [19]). Przeznaczony jest on do inspekcji zbiorników z benzyną/ropą naftową (i innymi szkodliwymi substancjami) wypełnionymi tymi cieczami przez cały czas trwania inspekcji. Urządzenie ma prostopadłościenny kształt i wyposażone jest w sonar, kamery, system oświetleń i sondy ultradźwiękowe. Poruszanie się umożliwia mu napęd kołowy. Pracownicy zanurzają robota w zbiorniku tak głęboko, na ile jest to możliwe. Maksymalne zanurzenie ogranicza długość kabla sterująco/zasilającego (ok.150m). Robot jest oczywiście zdalnie sterowany z bezpiecznego miejsca na zewnątrz zbiornika. Sonar umożliwia określenie położenia urządzenia, natomiast sondy ultradźwiękowe odpowiedzialne są za dostarczanie informacji na temat grubości ścian zbiornika. 17.

(18) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą Na tej podstawie generuje się trójwymiarowe mapy grubości ścian zbiornika. Dodatkowo kamery umożliwiają wizualną ocenę sytuacji przez operatorów. Z kolei japońska firma Osaka Gas (rys.3.3C, [46], [53], [60]) proponuje robota do inspekcji zbiorników z gazem (m.in. LPG). Jego zadaniem jest odnalezienie połączeń spawanych (co sugeruje przeznaczenie do stalowych zbiorników) dzięki zastosowaniu dwuwymiarowego laserowego czujnika przemieszczenia a następnie diagnozowanie tych połączeń przy użyciu metod ultradźwiękowych o nazwie TOFD (Time of Flight Diffraction). Układ sterowania urządzenia analizuje odbite od powierzchni spoiny promienie lasera i na tej podstawie określa położenie środka tejże spoiny. Środek spoiny wyznacza tor ruchu urządzenia. Firma podaje niektóre dane techniczne takie jak: masa robota (20kg), siła magnetyczna przyciągania do ścian zbiornika (2200N), prędkość (0–3m/min), zasilanie (DC24V), ultradźwiękowe sensory defektów powierzchni (TOFD), miernik przechyłu robota, drogomierz, hallotron oraz kolorowa kamera CCD. Kolejna propozycja to robot OTIS firmy Techcorr (USA, rys.3.3D, E, [58]). Czterokołowy inspekcyjno–naprawczy robot do zbiorników z olejem. Zastosowano w nim magnetyczne koła umożliwiające poruszanie się po ścianach bocznych zbiornika. Funkcja naprawcza urządzenia polega na zasysaniu zanieczyszczonego oleju a następnie przepuszczeniu go przez system filtrów. W ten sposób usuwa się warstwę mułu z dna, który może zniekształcać zbierane dane. Robot wykorzystuje metodę ultradźwiękową do rejestracji szczelin, otworów, nierównomiernej grubości ścian zbiorników. Wyniki mogą być wyświetlane na monitorze na stanowisku kontrolnym. Opcjonalnie może być na urządzeniu montowana kamera, jeśli inspekcja dotyczy zbiorników z cieczą o odpowiedniej przejrzystości. Robot TTU (Tennessee University of Technology, rys.3.3F, [67]) to robot wyposażony w magnetyczne gąsienice dedykowany do inspekcji metalowych zbiorników bądź metalowych rur. Konstrukcja lekka (10kg) i niewielka 30cmx20cm umożliwiająca dostanie się w trudno dostępne miejsca wyposażona w czujnik ultradźwiękowy do określenia grubości ścian ew. stanu spawów. Inne z kolei rozwiązanie to dzieło niemieckich naukowców z Uniwersytetu w Hanowerze – roboty: FAUST III i FAUST IV (rys.3.3G, H, [17]). Przeznaczone są one do badania obiektów znajdujących się pod wodą np. łodzie podwodne Faust III) oraz rur (Faust IV dzięki mniejszym rozmiarom). Mogą zanurzać się na głębokość do 50m. Z ich wyposażenia można wymienić np. kamery, oświetlenie, manipulator z chwytakiem oraz głowicę tnącą. Na uwagę zasługuje jeszcze rodzina robotów HYDRA (rys.3.3I, [17]). Ich konstrukcja opiera się na metalowej ramie wyposażonej w odnóża zakończone przyssawkami. Umożliwia to przylgnięcie urządzenia do powierzchni np. zbiornika przy dość szerokim zakresie chropowatości tej powierzchni. Warto jeszcze wymienić z nazwy inne roboty działające na podobnej zasadzie jak opisane powyżej: RTIEE [21], SURFY [24], FURY [29], ROBIN [38], HOUDINI [42], TANKBOT [50] oraz ARTIS [68]. Poza tym można jeszcze zwrócić uwagę na rozwiązania przedstawione w [57] i [59]. 18.

(19) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. 3.4.. Istniejące metody inspekcji zbiorników. Drugim istotnym efektem analizy odtwórczej jest zbiór istniejących metod detekcji uszkodzeń zbiorników z cieczą. Istnieje spora liczba publikacji na ten temat. Należy przypomnieć, że z powodu względnie niewielkiej ilości koncepcji robotów przeznaczonych do betonowych zbiorników skoncentrowano się na metodach detekcji uszkodzeń w betonie. W tej pracy niektóre z nich zostały wymienione. Więcej informacji na ich temat można zasięgnąć na podstawie bibliografii. Poniżej przedstawiono listę istniejących metod detekcji: – określenie odporności na uderzenie młotkiem Schmidta,– rys.3.4A; – detekcja korozji – rys.3.4B, C (mapy korozji) [12]; – mapy potencjałów elektrycznych w betonie – rys.3.4D; – mapy karbonatyzacji betonu, zbieranie próbek betonu do analizy – rys.3.4E; – testy pH z użyciem reagentów chemicznych bądź wyciągów wodnych z betonu – rys.3.4F; – Rapid Chloride Test – rys.3.4G; – metoda “Pull Off” – rys.3.4H; – metoda “Impact-Echo” – rys.3.4I; – metody ultradźwiękowe – rys.3.4J [9]. .. – metoda Wennera (pomiar rezystywności betonu) – opór betonu wpływa na przenoszenie jonów. Duży skok potencjału przy małej rezystywności betonu daje sygnał o poważnym zagrożeniu dla zbrojenia. .. – metody sejsmiczne, grawimetryczne do badania masywów betonowych np. zapór,. ,. – metody wizualne polegające na wyszukaniu: zarysowań, pęknięć, przecieków, ubytków zanieczyszczeń, deformacji i przemieszczeń, rozluźnienia spoin elementów murowanych, uszkodzeń powłok antykorozyjnych, rozluźnień/uszkodzeń łączników, uszkodzeń zakotwień i cięgien sprężających, – określenie głębokości zobojętnienia otuliny zbrojenia,. ,. – badanie zdolności betonu do pasywacji zbrojenia,. .. – pomiar potencjału zbrojenia (ustalenie stanu zbrojenia w odkrywkach),. ,. – badanie nasiąkliwości betonu,. .. – badanie wilgotności betonu, ustalenie rozkładu wilgoci, tomografia wilgotnościowa,. ,. – metody wilgotnościowo–równowagowe do oznaczania wilgotności w grubych elementach budowli (sonda wprowadzana jest do elementów budowli przez otwór i jest mierzona temperatura oraz wilgotność powietrza. Na podstawie wilgotności równowagowej powietrza można wnioskować. 19.

(20) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą o stopniu zawilgocenia elementu budowli. Wcześniej musi być wykonane wzorcowanie metodą grawimetryczną). Rys.3.4. Przykłady istniejących metod inspekcji konstrukcji z betonu. – badanie głębokości wżerów na powierzchni zbrojenia,. ,. – badanie składu fazowego,. ,. – pomiar zawartości cementu w betonie,. ,. – badania obecności glinianów/krzemianów w wykwitach na powierzchni zbrojenia,. ,. – ocena szczelności otuliny zbrojenia (w celu ustalenia czasu po jakim warstwa betonu zobojętnionego osiągnie poziom zbrojenia),. ,. – ocena skażenia chlorkami i poziom karbonatyzacji (badanie odczynu pH betonu; gdy pH<10 istnieje poważne. zagrożenie, pH=ok.11. – metody wapniowo-karbidowe,. – znaczne. obniżenie zdolności. pasywacyjnych), .. – pomiary potencjału zbrojenia w betonie (potencjał zbrojenia w stanie pasywnym wynosi ok. -0.3V do -0.2V. W stanie aktywnym: -0.6V do -0.4V. Jeśli nad jakimkolwiek odcinkiem pręta uzyskano 20.

(21) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą bardzo niski potencjał, można sądzić, że stal zbrojeniowa może w tym miejscu korodować, – magnetyczne metody określania położenia zbrojenia), Poza tym dostępne są jeszcze inne metody: mikrofalowa, radarowa, termowizyjna.. 3.5.. Wnioski. Analiza odtwórcza dostarczyła wielu cennych informacji, które mogą wnieść istotny wpływ na konstrukcję robota inspekcyjnego. Z analizy istniejących modeli kinematyki pojazdów gąsienicowych (podrozdział 3.2) wynika, że są one oparte na bezwymiarowych współczynnikach poślizgu. Żaden z modeli nie opiera się na modelu dwukołowym, który stanowi alternatywne spojrzenie na problem ruchu z poślizgiem. Mianowicie poślizg gąsienic jest wyrażony rozstawem kół zastępczego modelu dwukołowego. Jest to podstawowa różnica w stosunku do istniejących w literaturze modeli. Proponowany w tej pracy sposób opisu kinematyki pojazdu gąsienicowego jest więc autorski. Z kolei z podrozdziału 3.3 wynika, że większość przedstawionych urządzeń inspekcyjnych zaprojektowana została z myślą o zbiornikach ze stali. Dlatego też sporo z nich posiada magnetyczne koła lub gąsienice umożliwiające kontakt pojazdu z pochyłymi bądź pionowymi ścianami zbiornika. Z punktu widzenia tej pracy istotne są jednak rozwiązania przeznaczone dla betonowych konstrukcji. Należy więc poszukać innych metod pozwalających na docisk robota do ścian. Ze względu na sposób poruszania się można wyróżnić dwie podstawowe grupy robotów – kołowych oraz gąsienicowych. Istnieje jeszcze trzecia mniej liczna grupa robotów poruszających się na przyssawkach. Ta ostatnia ma możliwość poruszania się po pochyłych i pionowych ścianach, co stanowi istotny wniosek z analizy odtwórczej. Warto jeszcze zwrócić uwagę na niszowe rozwiązania jakie stanowią niewielkie i lekkie pojazdy przysysające się do ścian dzięki podciśnieniu wytwarzanemu przez zainstalowane na nich turbiny. Część robotów ma również możliwość swobodnego poruszania się w cieczy dzięki np. napędom śrubowym. Kolejnym aspektem analizy jest wpływ modułowości robotów na ich funkcjonalność. Dzięki temu, że konstrukcje są modułowe, mają możliwość rekonfiguracji ew. zmiany geometrii co wpływa na ich uniwersalność. Robota można składać z modułów stosownych do aktualnej potrzeby. Przykładowo podczas analizy zwrócono uwagę na możliwość usuwania zanieczyszczeń z dna zbiornika, co dodatkowo wpływa na wszechstronność zastosowań robota. Z perspektywy operatora wpływa to na prostotę i szybkość obsługi. Z perspektywy firmy ma to korzystny wpływ na sprawność wykonanej usługi więc w efekcie koszty inspekcji. Kolejny wniosek z analizy – niektóre roboty wyposaża się w manipulatory. Służą one do odprowadzania zanieczyszczeń bądź pobierania próbek.…………………………………………. W podrozdziale 3.4 dokonano przeglądu istniejących metod inspekcji zbiorników. Już na samym 21.

(22) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą początku trzeba zwrócić uwagę na to, że część z nich to metody niszczące. W ich przypadku następuje uszkodzenie elementów konstrukcji zbiornika. Ze względu na ten fakt zdecydowano o rozpatrzeniu jedynie metod nieniszczących (opisanych w np. [23], [56]). Skoncentrowano się głównie na metodach wizyjnych, metodzie ultradźwiękowej, Wennera, magnetycznej, termowizyjnej, mikrofalowej oraz pomiarze potencjału zbrojenia. Opierają się one na zastosowaniu pola magnetycznego, elektrycznego albo fal akustycznych, które w zasadzie nie mają żadnego negatywnego wpływu na konstrukcję zbiornika ani też na jego zawartość. Ponadto w przypadku większości z nich opracowano już zaawansowaną sensorykę bądź gotową aparaturę inspekcyjną, którą z powodzeniem można byłoby zainstalować na pokładzie robota.. 22.

(23) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. 4. Analiza twórcza – model dwukołowy w kinematyce pojazdu gąsienicowego 4.1.. Wstęp. Problem opisany w niniejszym rozdziale dotyczy kinematyki niewielkich pojazdów gąsienicowych podczas wykonywania skrętu. Stanowi on istotny element analizy twórczej. Oryginalną propozycją przedstawioną tutaj jest zastosowanie modelu dwukołowego do opisu zachowania pojazdów dwugąsienicowych. Natomiast istotą tego modelu jest to, że jest on identyfikowany na podstawie rzeczywistych przejazdów pojazdu gąsienicowego, tzn. przejazdy dają informację nt. parametrów tego modelu. Po identyfikacji model ten można wykorzystywać do symulacji ruchu pojazdu gąsienicowego.. .. Badając obszar zagadnień związanych z kinematyką pojazdów kołowych i gąsienicowych wzorowano się głównie na [2]. Poza tym zasięgnięto również informacji w pracach [1], [15], [20], [28] oraz [35]. Niniejsza praca porusza wprawdzie zagadnienia z obszaru kinematyki pojazdów gąsienicowych jednak przeanalizowane zostały również prace z zakresu dynamiki podwozi pojazdów gąsienicowych oraz ich symulacji: [4], [13], [26], [27], [32], [37], [39] oraz [49]. Sprawdzono w ten sposób czy istniałaby ewentualna możliwość oparcia modeli dynamiki na prezentowanym modelu kinematyki. Jakkolwiek, jest to tematyka wykraczająca poza zakres tej pracy i nie będzie tu omawiana. Na początku należy przyjąć pewne założenia. Po pierwsze rozmiary robota są niewielkie (0,3 m – 1m długości) a jego masa wynosi max. 40kg. Jako robot gąsienicowy należy rozumieć pojazd z dwoma gąsienicami. Poza tym założono brak niezależnej amortyzacji kół – zawieszenie jest sztywne. Rozważono ruch po płaskiej powierzchni (potraktowano obszar styku między gąsienicą a podłożem jako prostokąt). Założono, że pojazd posiada sztywne koła, które nie odkształcają się pod wpływem nacisku na podłoże. Również model dwukołowy posiada nieodkształcalne koła. Aby lepiej zrozumieć przyczyny użycia modelu dwukołowego do rozwiązania problemu ruchu robota gąsienicowego najpierw należy zdefiniować ten model. Jego charakterystyczną cechą jest to, że ma tylko dwa punkty wspólne z podłożem. Poza tym, jeśli założyć ruch bez poślizgów (czyli idealna przyczepność kół do podłoża) można stwierdzić, że chwilowa prędkość tych dwóch punktów względem podłoża jest równa zero (widoczny punkt P’ na rys.4.1).. 23.

(24) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. Rys.4.1. Model dwukołowy Pierwszym celem opisu pojazdu gąsienicowego modelem dwukołowym jest znalezienie tzw. osi „kół wirtualnych” modelu zwanej dalej OSIĄ V. Drugim celem jest znalezienie odstępu między tymi kołami oraz ich promieni (rys.4.2).. Rys.4.2. Przejście z modelu gąsienicowego na dwukołowy; opracowane na podstawie [2] Ponieważ niniejsza praca omawia problem kinematyki pojazdu gąsienicowego dlatego zarówno znalezienie OSI V jak i odstępu między kołami wirtualnymi modelu zastępczego opiera się na analizie ruchu rzeczywistego pojazdu.. .. Poniżej wymieniono przyczyny zastosowania modelu dwukołowego w opisie ruchu pojazdów gąsienicowych będące zarazem głównymi jego atutami: – prostota modelu matematycznego – formalizm matematyczny ruchu pojazdu gąsienicowego charakteryzuje prostota, co ma wpływ na szybkość obliczeń; – zwięzły opis – model dwukołowy w zwięzły sposób. .. opisuje model pojazdu gąsienicowego. za pomocą położenia osi kół modelu dwukołowego względem korpusu pojazdu rzeczywistego. Ponadto poślizgi gąsienic względem podłoża zinterpretowane są jako rozstaw kół modelu; – uniwersalność – na bazie modelu dwukołowego mogą być zastosowane różne rodzaje układów sterowania ruchem pojazdu gąsienicowego: otwartych, ze sprzężeniem zwrotnym, układach opartych na logice rozmytej, sieciach neuronowych itp.;. .. – możliwość autokalibracji (identyfikacji parametrów modelu) pojazdu, tzn. model daje możliwość, 24.

(25) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą że układ sterowania oparty na nim sam byłby w stanie określić położenie osi kół wirtualnych oraz odstępu między nimi w zależności od tego na jakim podłożu porusza się pojazd. Daje to też możliwość tworzenia baz danych parametrów modelu. Układ sterowania robota oparty o ten model miałby więc możliwość wyposażenia w cechy adaptacyjne tj. dobór istotnych parametrów wpływających na kinematykę w zależności od podłoża. Należy podkreślić, że model dwukołowy ma zastosowanie tylko i wyłącznie podczas skrętu pojazdu. W żadnym razie jednak nie stanowi to mankamentu modelu. Podczas jazdy po prostej zarówno położenie OSI V jak i rozstaw kół modelu nie mają znaczenia, więc mogą być dowolnie przyjęte.. 4.2.. Identyfikacja OSI V modelu – teoria. Rozważania przeprowadzone w tym podrozdziale oraz pozostałych podrozdziałach w obrębie rozdziału 4 przeprowadza się przy założeniu, że pojazd porusza się po dwuwymiarowym, płaskim i sztywnym podłożu izotropicznym pod względem współczynnika tarcia. Jak wcześniej wspomniano, przy badaniu kinematyki obiektów analizuje się tylko i wyłącznie ich ruch bez wnikania w ich cechy fizyczne oraz działające na nie siły. Oznacza to, że matematyczny model ruchu obiektu nie zawiera ani jego cech fizycznych ani sił nań działających.. .. Bez naruszenia tego podstawowego warunku modelowania kinematyki można jednak przedstawić sytuację zobrazowaną na rys.4.3.. Rys.4.3.. Wpływ rozkładu obciążenia na położenie OSI V (rysunek poglądowy). Rozważania w tym podrozdziale opierają się na tzw. tezie o OSI V: Oś obrotu pojazdu gąsienicowego zmienia swe położenie względem korpusu pojazdu w zależności od rozkładu obciążenia na powierzchni styczności gąsienic z podłożem 25.

(26) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą Zostało to pokazane na rysunku. Jeśli teza jest prawdziwa, to powinna zostać zaobserwowana sytuacja z rys.4.4 opierającego się na rys.4.3.. Rys.4.4.. Wpływ rozkładu obciążenia na trajektorie obrotu pojazdu (rysunek poglądowy). Koła napędowe gąsienic obracają się z jednakową co do wartości prędkością jednak ich zwroty są przeciwne. Efektem tego jest obrót pojazdu wokół pewnego środka obrotu O. Dzięki znajomości trajektorii charakterystycznych punktów korpusu można określić położenie środka obrotu a zarazem osi kół modelu (OSI V), na której leży ten środek. Widać, że pojazd zachowuje się zupełnie inaczej w przypadkach a) i b). Z powyższych rozważań wypływa wniosek, że celem prawidłowego opisu kinematyki za pomocą modelu dwukołowego konieczne jest ustalenie położenia OSI V. Widać na rysunku, że może ona znajdować się w dowolnym miejscu względem korpusu. Trzeba więc zdeterminować jej położenie wykonując serię obrotów 360º tak jak to pokazano na rys.4.4. Należy podkreślić, że badanie relacji między rozkładem obciążenia a położeniem OSI V ma charakter jakościowy, ponieważ jego jedynym celem jest udowodnienie, że istnieje relacja między nimi podczas skrętu. Nie wnika się tu w matematyczny opis tej relacji ponieważ zostałby naruszony warunek modelowania kinematyki. Jeśli relacja istnieje, potwierdziłaby wtedy wspomnianą wyżej tezę a zatem i konieczność poszukiwania OSI V. Konieczne byłoby zatem wykonanie badań ilościowych z zakresu kinematyki. Na podstawie ruchu pojazdu zostałaby wtedy określona konkretna wartość położenia OSI V względem korpusu.. 4.3.. Identyfikacja rozstawu kół modelu – teoria. Aby znaleźć rozstaw wirtualnych kół modelu zastępczego należy wpierw ustalić położenie OSI V względem korpusu pojazdu. Zakłada się więc, że położenie OSI V zostało ustalone. 26.

(27) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą W podrozdziale 4.1 zaznaczono, że wirtualne koła powinny mieć dobrany odpowiednio promień i być umiejscowione w takim miejscu geometrycznym gąsienicy, dla którego jest spełniony warunek braku poślizgu zarówno podczas jazdy po prostej jak i podczas skrętu (problem przedstawiono na rys.4.5). Najpierw należy rozwiązać kwestię ustalenia wartości promieni wirtualnych kół rW. Jak wynika z rys.4.1, prędkość unoszenia koła wirtualnego vP jest w ścisłym związku z prędkością kątową ωW oraz promieniem rW koła wirtualnego: ' ) $& r. (4.1). Istotne jest z punktu widzenia kinematyki pojazdu gąsienicowego, żeby prędkość kątowa kół wirtualnych modelu zastępczego ωW (rys.4.1) była równa prędkości kątowej odpowiadających im kół rzeczywistego pojazdu ωN (rys.4.2). Jeśli założyć równość prędkości kątowych ωW oraz ωN, to aby prędkość unoszenia koła wirtualnego vP była równa prędkości unoszenia pojazdu v, promień koła wirtualnego rW musi być równy promieniowi rzeczywistego koła napędowego rN. W dalszej części pracy korzystając z tego faktu unika się rozróżniania oznaczeń promieni kół rzeczywistych rN oraz wirtualnych rW. Przyjmuje się, że prawe koło pojazdu rzeczywistego oraz modelu ma symbol r2 natomiast lewe koło pojazdu rzeczywistego oraz modelu ma symbol r3 (wynika to z rysunków przytoczonych w toku pracy). Bardziej obszerne jest rozwiązanie kwestii identyfikacji rozstawu kół wirtualnych.. Rys.4.5.. Problem identyfikacji rozstawu kół wirtualnych. Jak widać na rys.4.5, pojazd gąsienicowy z doczepionym doń w punkcie O1 układem x1y1 porusza się względem układu x0y0 z prędkością unoszenia v. Każdy punkt gąsienicy porusza się z prędkością będącą złożeniem prędkości unoszenia pojazdu i prędkości względnej (względem pojazdu) vT. Jeśli pojazd porusza się po prostej bez poślizgu, punkty gąsienicy stykające się z podłożem mają względem niego prędkość zerową (v - vT = 0).. 27.

(28) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą Ponieważ podczas jazdy pojazdu gąsienicowego po prostej bez poślizgu liczba punktów styczności gąsienicy z podłożem posiadająca zerową prędkość chwilową względem podłoża jest nieskończona, dlatego w tym przypadku nie ma konkretnego miejsca geometrycznego. Jednakże w ruchu skrętnym, (przy założeniu, że jest rozpatrywany dwugąsienicowy pojazd) istnieją dokładnie dwa punkty spełniające warunek braku poślizgu względem podłoża. Zgodnie z [2], skręt pojazdu jest ruchem płaskim, który może być reprezentowany przez ciąg obrotów chwilowych dookoła kolejnych chwilowych osi obrotu. Ślady tych osi na płaszczyźnie ruchu wyznaczają jego środek skrętu (rys.4.6). Jeśli skręt ma stały promień R (czyli tak jak w założeniach tej pracy), środek skrętu O jest punktem stałym. Warto w tym miejscu zaznaczyć, że rys.4.6 przedstawia jednostajny skręt dookoła punktu O, bez uwzględnienia poślizgów gąsienic. W takim przypadku chwilowe środki obrotów gąsienic występują w punktach O’2 i O’3 leżących na przecięciu się osi symetrii poszczególnych gąsienic. Ponieważ spełniają one warunek zerowej prędkości chwilowej przy braku poślizgu, więc to właśnie te dwa punkty są szukanymi miejscami geometrycznymi z rys.4.2. Jeśli jednak zostanie uwzględniony poślizg, należy rozpatrzyć jak działają siły napędowe gąsienic, gdyż jest to istotne do określenia kierunku poślizgów. Skręt pojazdu może być zrealizowany na trzy sposoby. Pierwszy to skręt o małych promieniach – gdy przyhamowano jedną z gąsienic – wtedy od gruntu oddziałują na nią siły styczne skierowane przeciwnie do kierunku ruchu pojazdu (rys.4.7a), P2 – siła napędowa, siła P3 – siła hamująca). Drugi sposób to skręt o dużych promieniach, gdy odłączono napęd od jednej z gąsienic (rys.4.7b), działa tylko siła napędowa P2 ). Trzeci sposób jest otrzymany, gdy opory ruchu postępowego są duże a opory skrętu małe. W takim przypadku siła P3 może mieć kierunek zgodny z kierunkiem jazdy (rys.4.7c)).. Rys.4.6. Schemat kinematyczny skrętu pojazdu (w rzucie z góry punkty O’2 i O’3 pokrywają się z O2 i O3); na podst. [2] 28.

(29) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą Istotne w tych trzech przypadkach jest położenie chwilowych środków obrotu gąsienic O’2 i O’3. W pracy [2] wykazano, że punkty O’2 i O’3 zostają przesunięte w zależności od znaków sił P2 oraz P3 (widoczne na rys.4.7).. Rys.4.7. Schematy poprzecznego przesunięcia chwilowych środków obrotu gąsienic: a) P2 > 0, P3 < 0; b) P2 > 0, P3 = 0; c) P2 > 0, P3 > 0 ; na podst. [2] Okazuje się, że (oznaczenia z rys.4.6): $). ' ' ' 1' '+ '+ ) ) ) ) C 3 0,5B C 1 0,5B B. Stąd:. ). '+ , $. ). '+ $. (4.2). (4.3). gdzie: vb2 – prędkość bezwzględna gąsienicy o mniejszej prędkości (v2) vb3 – prędkość bezwzględna gąsienicy o większej prędkości (v3) Więcej objaśnień nt. powyższych wzorów w lekturze [2]. W tej pracy skoncentrowano się tylko na poprzecznym przesunięciu punktów O’2 i O’3 bez wnikania w siły napędowe i hamujące. Dla przykładu pokazano na rys.4.9 przejście z modelu gąsienicowego na dwukołowy dla skrętu bez poślizgów i skrętu z przypadku z rys.4.7a).. 29.

(30) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. Rys.4.8.. Rys.4.9.. Kinematyka skrętu dla przypadku a) z rys.4.7. Przykładowe przejścia z modelu gąsienicowego na dwukołowy 30.

(31) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą Środki wirtualnych kół umieszczone zostają w punktach O2 i O3, w ten sposób, że pokrywają się w rzucie z góry z punktami O’2 i O’3, przy czym O’2 i O’3 są punktami przecięcia się osi symetrii prostokątnych powierzchni styku gąsienic z podłożem. Gdy znane są. już ogólne zasady opisu pojazdu gąsienicowego za pomocą modelu. dwukołowego, należy przedstawić ten model w postaci matematycznej. W tym celu przeanalizowano jego kinematykę. Rys.4.10 przedstawia dwukołowy model naniesiony na model robota gąsienicowego w układzie odniesienia x0y0z0 związanym z podłożem. Jak widać, został wprowadzony także lokalny układ odniesienia x1y1z1 związany z modelem robota, którego początek ma miejsce w punkcie O1. W punktach O2 oraz O3 znajdują się początki kolejnych dwóch układów x2y2z2 i x3y3z3 związanych z kołami robota. Na podstawie rys.4.10 można zbudować macierz transformacji układu x1y1z1 do x0y0z0.. Rys.4.10. Model dwukołowego robota. Macierz transformacji układu x1y1z1 do x0y0z0:. GHI. >?@ 1@ A L @A >?@ )K K 0 0 J 0 0. 0 .MN R 0 5MN Q 1 OMN Q 0 1 P. (4.4). 31.

(32) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą Z kolei macierz transformacji układu x2y2z2 do x1y1z1: G. H. L0 0 )K K1 J0. 1 0 .MS R L0 0 1 5MS Q K0 = 0 0 OMS Q K K1 0 0 1 P J 0. 1 0 0 0. a macierz transformacji układu x3y3z3 do x1y1z1:. G. H. L0 0 =K K1 J0. 0. .MS B 1 −T + 2 0 OMS 0 1. 0 1 0 1. 1 0 .MV R L0 0 1 5MV Q K0 = 0 0 OMV Q K K1 0 0 1 P J 0. 0 0. R UQ Q Q P. .MV R B T + UQ 2 Q 0 OMV Q P 0 1. (4.5). (4.6). Wobec tego macierz transformacji układu x2y2z2 do x0y0z0: G. Czyli:. G. I. L0 >?@ K 0 @A =K K K 1 0 J 0 0. I. = GHI G. H. B + T + U@ A 2 B 0.MS @ A − T + U >?@ 2 0 OMN + OMS 0 1. −@ A. 0.MS >?@. >?@. (4.7). + .MN 2R Q + .MN 2Q Q Q P. (4.8). A macierz transformacji układu x3y3z3 do x0y0z0:. Czyli: G. I. L0 >?@ K 0 @A =K K K 1 0 J 0 0. Widoczne na rys.4.10 punkty O. −@ A >?@. XY. i. G. I. = GHI G. H. B + T + U@ A 2 B 0.MV @ A − T + U >?@ 2 0 OMN + OMV 0 1. 0.MV >?@. O. XY. (4.9) + .MN 2R Q + .MN 2Q Q Q P. (4.10). związane są z obwodami kół wirtualnych. o promieniach r2 i r3 odpowiednio i obracają się wraz z nimi. 32.

(33) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą Bazując na rysunku można określić położenie tych punktów w układach x2y2z2 i x3y3z3:. Położenie punktów O. i O. XY. XY. I I I. r >?@ % r @ A% )Z [ , 0 1. r >?@ % r @ A% =Z [ 0 1. (4.11). =G. (4.12). w układzie x0y0z0: =G. I. , . I I I. I. Wobec tego, na podstawie (4.8) i (4.12):. I I I. B Lr @ A % >?@ β + .MS >?@ + T + U @ A + .MN R 2 K Q B K = r @ A % @ A β + .M @ A − T + U >?@ + 5M Q S N K Q 2 r >?@ % + OMN + OMS K Q J P 1. (4.13). Analogicznie, na podstawie (4.10) i (4.12):. I I I. B Lr @ A % >?@ β + .MV >?@ − T + U @ A + .MN R 2 K Q B = K r @ A % @ A β + .M @ A + T + U >?@ + 5M Q V N K 2 Q r >?@ % + OMN + OMV K Q J P 1. (4.14). Po zróżniczkowaniu (4.12) (4.13) i (4.14): ". I I I. =\. B L−r " @ A % @ A β + T + U " >?@ + ." MN + %" r >?@ % >?@ R 2 K Q B = K r " @ A % >?@ β + T + U " @ A + 5" M + %" r >?@ % @ A Q N K Q 2 K Q − %" r @ A % J P 0. (4.15). 33.

(34) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą oraz: ". I I I. )\. B L1r " @ A % @ A β − T + U " >?@ + ." MN + %" r >?@ % >?@ R 2 K Q B K ) r " @ A % >?@ β − T + U " @ A + 5" M + %" r >?@ % @ A Q N K Q 2 K Q − %" r @ A % J P 0 O. O. (4.16). znajdują się na miejscu punktów kontaktu z podłożem (punkty O i. O. W szczególności, gdy brak poślizgów, interesująca jest postać równań (4.15) i (4.16), gdy punkty XY. i. XY. podłoża (czyli względem układu x0y0z) vXS^_` = vXS = 0 oraz vXV^_` = vXV = 0. Na tej podstawie na rys.4.10). Można zauważyć, że w takiej sytuacji α2 = α3 = π. Dodatkowo prędkości względem. można zapisać:. \. Analogicznie: \. B L0 + K 2 B = K0 + K 2 K J B L −0 + K 2 B = K−0 + K 2 K J. 2 " >?@. 2 "@A. + ." MN −%" r >?@ R Q + 5" MN − %" r @ A Q = 0 Q Q 0 P 0. 2 " >?@. + ." MN −%" r >?@ R Q " 2 @ A + 5" MN − %" r @ A Q = 0 Q Q 0 P 0. (4.17). (4.18). Z kolei bazując na rys.4.10 można ułożyć równanie: "=. %" r − %" r B+ +. (4.19). Wybierając po jednym z równań (4.17) i (4.18) łącznie z równaniem (4.19) otrzymuje się układ równań oparty o ruch punktu O1:. 34.

(35) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą B B d .MN 062 ) %" r >?@ 1 0 3 2 " >?@ B6 2 b B B 5MN 062 ) %" r @ A 3 0 3 2 " @ A 2 c B6 B %" r 1 %" r b 062 ) a B6 B3 3. (4.20). Układ równań opisuje zarówno położenie jak i orientację modelu dwukołowego względem nieruchomego podłoża i jest to opis pełny. Aby model mógł być wykorzystany, należy dokonać jego identyfikacji tzn. trzeba znaleźć wartości parametrów e2 i e3. Przekształcając dwa pierwsze równania z (4.20): d b c b a. ." MN. B %" r 3 " >?@ " 2 ." MN B %" r ) 1 1 " >?@ " 2. )1. Na podstawie rys.4.11 należy zauważyć, że:. 1. ." MN ) 'MN >?@. (4.21). (4.22). Rys.4.11. Rozkład prędkości punktu O1 na składowe Po uwzględnieniu (4.22) można równania (4.21) zapisać w postaci: d b c b a. %" r 1 'MN B 1 " 2 'MN 1 %" r B ) 1 " 2 ). (4.23). 35.

(36) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą Wzory (4.23) oparte są na punkcie O1, który leży na osi kół wirtualnych a ponadto znajduje się na osi symetrii pojazdu. Wzory (4.23) można jednak uogólnić tak, by były oparte na ruchu dowolnego punktu (np. markera) leżącego w płaszczyźnie x1y1. Pokazano to na rys.4.12.. Rys.4.12. Ruch dowolnego punktu S na korpusie pojazdu. Przyjęto punkt S jako nowy charakterystyczny punkt na ramie robota. Zakłada się, że w ramach identyfikacji modelu bada się ruch po łuku okręgu tego właśnie punktu. Należy zwrócić uwagę, że na podstawie rys.4.12 spełniona jest zależność: "). Stąd:. 'MN ') C C-. 'MN ). gdzie:. (4.24). 'C C-. (4.25). C ) eC- 1 lgh 1 lgi. (4.26). Ostatecznie więc za pomocą (4.24), (4.25) i (4.26) można zapisać wzory (4.23) w zależności od punktu S:. d b b c b b a. ) ). %" r 1 " 0eC- 1 lgh 1 lgi 2 ". " 0eC- 1 lgh 1 lgi 2 1 %" r ". 1 1. B 2 B 2. (4.27). 36.

(37) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą Wzory (4.27) służą do identyfikacji położenia kół wirtualnych modelu dwukołowego (a więc ich rozstawu). Aby obliczyć wartości e2 i e3 należy więc zarejestrować w trakcie ruchu. pojazdu. gąsienicowego poniższe wielkości: – %" i %" – prędkości obrotów kół napędowych pojazdu gąsienicowego. – C- – promień trajektorii punktu S. – " – prędkość kątową orientacji pojazdu gąsienicowego względem nieruchomego podłoża. Po obliczeniu e2 i e3 zastępczy model jest zidentyfikowany. Można zatem przejść do symulacji ruchu pojazdu gąsienicowego w oparciu o dowolny punkt na jego korpusie. Niech symulacji poddany zostanie ruch punktu S – tego samego, który wcześniej posłużył do identyfikacji modelu dwukołowego, ponieważ znana jest już jego rzeczywista trajektoria. Aby symulować ruch tego punktu trzeba ułożyć układ równań różniczkowych analogicznych do (4.20) ale uwzględniających ten punkt. Na podstawie rys.4.13 można zbudować macierz transformacji układu xSySzS do x0y0z0.. Rys.4.13. Symulacja ruchu punktu S. Macierz transformacji układu xSySzS do x0y0z0: GjI ) k. >?@ @A. 1@ A >?@ 0 0 0 0. 0 .0 5l 1 O0 1. (4.28). 37.

(38) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą Z kolei macierz transformacji układu x2y2z2 do xSySzS:. m. n. L0 0 )K K1 J0. 1 0 .MS R L0 0 1 5MS Q K0 = 0 0 OMS Q KK1 0 0 1 P J0. 1 0 0 0. 0. lgh R B 1 − T + U + lgi Q 2 Q 0 OMS Q P 0 1. (4.29). a macierz transformacji układu x3y3z3 do xSySzS:. G. j. L0 0 =K K1 J0. 1 0 .MV R L0 0 1 5MV Q K0 = 0 0 OMV Q KK1 0 0 1 P J0. 1 0 0 0. 0. lgh R B 1 T + U + lgi Q 2 Q 0 OMV Q P 0 1. (4.30). Wykonując za pomocą macierzy TS0,T2S i T3S ciąg obliczeń analogicznych do pokazanych w równaniach (4.7) - (4.18) można zestawić układ równań różniczkowych: B B d .- 062 = T%" r − T + U " + lgi " U >?@ + lgh " @ A B6 2 b bB B 5- 062 = T%" r + T + U " + lgi " U @ A − lgh " >?@ 2 cB6 B %" r − %" r b b 062 = a B6 B+ +. (4.31). Po wstawieniu zidentyfikowanych wcześniej wartości parametrów e2 i e3 do (4.31), układ równań stanowi ostateczną formę opisu ruchu pojazdu gąsienicowego. Dzięki niemu można symulować ruch dowolnego punktu związanego z korpusem pojazdu. Gdy znana jest postać modelu kinematyki a jego parametry są zidentyfikowane, należy zweryfikować jego poprawność. napędowych o" i o". Jeśli model (4.31) jest poprawny, wygenerowana przezeń trajektoria punktu S dla prędkości kół równych zadanym w rzeczywistości, powinna być teoretycznie identyczna. (a w praktyce bardzo zbliżona) do rzeczywistej. Zatem potwierdzałoby to główną tezę pracy, tzn. modelem dwukołowym (4.31) można poprawnie opisać kinematykę pojazdu gąsienicowego.. 38.

(39) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. 4.4.. Organizacja pomiarów i narzędzia analizy wyników pomiarów. 4.4.1. Wprowadzenie do eksperymentu pomiarowego Celem tego podrozdziału jest opisanie stanowiska pomiarowego oraz narzędzi analizy wyników pomiarów, dzięki którym jest możliwe zbadanie na ile zgodne są przewidywania zastępczego modelu opisującego ruch pojazdu gąsienicowego z jego rzeczywistym zachowaniem. W toku podrozdziału, poczynając od opisu stanowiska pomiarowego zaprezentowano narzędzia, dzięki którym można było zarejestrować i przeanalizować potrzebne parametry kinematyczne. Są nimi: położenie OSI V oraz parametry wymienione w podrozdziale 4.3. Zdecydowano, że do badania kinematyki pojazdu gąsienicowego zostanie zastosowana metoda wizyjna. Jest ona wygodna w użyciu i pozwala na uzyskanie dokładnych wyników (w szczególności położenie). W obrębie tej metody bardzo pomocnym. narzędziem okazał się program TEMA AutomotiveTM firmy Image Systems.. Dzięki niemu było możliwe proste a zarazem dokładne zarejestrowanie trajektorii pojazdu. Znajomość trajektorii pozwoliła zweryfikować poprawność modelu teoretycznego. Program TEMATM do precyzyjnej rejestracji trajektorii wymagał parametrów optycznych zastosowanego w pomiarach sprzętu fotograficznego. Dlatego niemniej pomocnym okazał się program GML Camera CalibrationTM. Był on źródłem informacji na ten temat. Opis obsługi programu GMLTM przedstawiono w podrozdziale 4.4.2.3. natomiast programu TEMATM – w podrozdziale 4.4.2.4 W podrozdziale 4.4.2.5 opisano program rejestrujący przebiegi prędkości kół napędowych pojazdu.. 4.4.2. Eksperyment pomiarowy – narzędzia analizy 4.4.2.1.. Stanowisko pomiarowe. Aby można było przeprowadzić pomiary, należy wpierw ustalić jakie wielkości i w jaki sposób będą mierzone. Ma to oczywisty wpływ na zastosowaną aparaturę pomiarową. Na podstawie rozważań teoretycznych z poprzedniego rozdziału jest możliwe określenie zestawu wielkości, które należy zmierzyć. Ponieważ powinny być przeprowadzone pomiary podczas zadania prostego i odwrotnego kinematyki dlatego konieczna jest znajomość trajektorii pojazdu. Trajektorię można zarejestrować dzięki metodzie wizyjnej. Wykonując sekwencję zdjęć bądź film poruszającego się obiektu otrzymuje się ciąg kolejnych położeń tego obiektu. Jeśli na obiekcie umieszczone są znaczniki (markery) to. można. następnie. przeanalizować. wspomniany. materiał. zdjęciowy. bądź. filmowy. w specjalistycznym oprogramowaniu uzyskując ciąg kolejnych współrzędnych położenia tych znaczników. Na tej podstawie można wnioskować o trajektorii ruchu. Znając szybkość zmian 39.

(40) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą współrzędnych można uzyskać pozostałe parametry kinematyki – prędkości i przyspieszenia. Wymagane jest więc stworzenie warunków do sfilmowania ruchu pojazdu. Na rys.4.14. ukazano stanowisko pomiarowe, które posłużyło do tego celu. Na statywie 1) zamontowano aparat fotograficzny 2), którego obiektyw jest skierowany w stronę płyty 3) stanowiącej podłoże dla zdalnie sterowanego pojazdu 4). Wielkościami, które trzeba jeszcze zmierzyć są prędkości obrotów kół napędowych pojazdu. Dlatego też pojazd został wyposażony w enkodery. Zmierzone przez układ pomiarowy pojazdu wartości prędkości obrotowych kół napędowych są transmitowane drogą radiową do odbiornika 5) a stamtąd. do komputera 6) wyposażonego w program do akwizycji danych.. Sam pojazd wraz ze sterowaniem, układem pomiaru prędkości i transmisją danych został opisany w podrozdziale 4.4.2.2. Oprogramowanie do akwizycji prędkości kół napędowych opisano osobno w podrozdziale 4.4.2.5.. Rys.4.14. Stanowisko pomiarowe Zastosowany w doświadczeniu aparat fotograficzny to Canon EOS 5D MARK II. Niektóre z jego ważniejszych specyfikacji zawiera tabela 4.1. Na szczególną uwagę zasługują dwa parametry aparatu – rozdzielczość oraz szybkość wykonywania zdjęć w serii. Pierwszy z nich decyduje o dokładności zmierzonego położenia natomiast drugi – prędkości zmian położenia.. 40.

(41) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą Tabela 4.1. Rozdzielczość. 21Mpx(5634x3753). Matryca. CMOS. Rozmiar piksela. 6,4µm. Zakres ISO Szybkość klatek. 100-25600 3,9fps. Źródło: opracowane na podstawie [71] W podrozdziale 4.4.2.4 wykazano, że dokładność pomiaru położenia (a więc dokładność pomiaru trajektorii) otrzymana w wyniku eksperymentu pozwala na zastosowanie metody wizyjnej. Warto nadmienić, że ważne jest by w trakcie wykonywania rejestracji ruchu nie dochodziło do drgań aparatu, więc należy zadbać by jego mocowanie było sztywne i solidne. 4.4.2.2.. Pojazd gąsienicowy. Wykorzystany do pomiarów pojazd gąsienicowy skonstruowano na bazie podwozia (rys.4.15). Podwozie to wyposażone jest w dwa silniki elektryczne komutatorowe prądu stałego, które – niezależnie od siebie – za pośrednictwem przekładni napędzają gąsienice. Każdy z dwóch napędów posiada wmontowany enkoder o rozdzielczości 333 impulsów na obrót.. Rys.4.15. Widok ogólny podwozia [73] Na potrzeby pomiarów podwozie zostało rozbudowane. Umieszczono na nim prostokątną blachę aluminiową z naklejonymi na niej markerami widocznymi na rys.4.16a). Poniżej można umieścić obciążniki, dla których przewidziano możliwość montażu z przodu, w środku oraz z tyłu pojazdu (rys.4.16b)). W celu utrzymania właściwego rozstawu kół zamontowano poprzeczki z możliwością regulacji (rys.4.16c)).. 41.

(42) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. Rys.4.16. Widok pojazdu po rozbudowie Bardzo istotnym elementem rozbudowy nadwozia jest tzw. układ pomiarowo-sterujący UPS (rys.4.16d)). Jest on odpowiedzialny za sterowanie pracą silników oraz pomiar wartości prędkości obrotowych kół napędowych. Jego schemat pokazano na rys.4.17. Ruch pojazdu kontrolowany jest zdalnie za pomocą aparatury RC firmy FUTABA (nadajnik FUTABA 10C, odbiornik R6014HS). Aparatura jest 10-kanałowa i transmituje dane w paśmie 2.4 GHz w opracowanym przez firmę systemie FASST (Futaba Advanced Spread Spectrum Technology). Odbiornik RC po otrzymaniu sygnału radiowego wytwarza sygnał serwo rejestrowany przez moduł o nazwie INTERPRETER RC. Jego zadaniem jest uzyskanie informacji na temat kierunku i wartości prędkości zadanej każdego z dwóch silników. Informacja przesyłana jest do modułu REGULATOR PRĘDKOŚCI, który na jej podstawie generuje sygnał PWM (ang. Pulse Width Modulation). Ponieważ sygnał jest zbyt słaby by bezpośrednio sterować silnikami dlatego zastosowano mostek H w postaci gotowego zestawu firmy POLOLU. Zestaw wykorzystuje dwa sterowniki MC33926 osobno dla każdego silnika i umożliwia sterowanie sygnałem PWM przy ciągłym poborze prądu do 3A przez każdy silnik. Opisywany układ sterowania jest układem otwartym.. 42.

(43) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. Rys.4.17. Schemat układu pomiarowo-sterującego Jak wcześniej wspomniano, w napęd kół wmontowane są enkodery kwadraturowe. Generowany przez nie sygnał trafia do modułu LICZNIK IMPULSÓW. Dokładnie co jedną sekundę moduł zlicza liczbę impulsów z enkoderów. Otrzymana w ten sposób wartość trafia w postaci analogowej dwoma kanałami (osobno dla każdego silnika) do modułu OBSŁUGA XBEE. Moduł ten jest odpowiedzialny za przygotowanie danych do wysyłki drogą radiową poprzez układ XBEE XB24-AWI-001 firmy Maxstream (podstawowe dane w tab.4.2). Samo urządzenie skonstruowane zostało zgodnie ze. standardem. IEEE. 802.15.4.. Można. je. użyć. do. tworzenia. niskobudżetowych. sieci. bezprzewodowych małej mocy działających w paśmie 2.4 GHz. Transmisja z modułu OBSŁUGA XBEE do nadajnika XBEE TX przebiega za pośrednictwem interfejsu szeregowego USART z prędkością 9600 bps. Należy zwrócić uwagę na to, że pojedyncza transmisja USART niosąca pełną informację o prędkościach obydwu kół składa się z dwóch bajtów danych. Pierwszy bajt B1 przedstawia informację związaną z prędkością lewego koła (dane z enkodera 1), drugi bajt B2 przedstawia informację związaną z prędkością prawego koła (dane z enkodera 2). Wartość niesiona przez każdy bajt nie jest wartością prędkości obrotowej koła lecz jest z nią związana liniowo wzorami: %" ) 0KOREKTA L2 ∗ 1. (4.32). 43.

(44) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą. gdzie:. %" ) 0KOREKTA P2 ∗ 2. (4.33). %" – prędkość obrotowa lewego koła wyrażona w obrotach na minutę [RPM]. %" – prędkość obrotowa prawego koła wyrażona w obrotach na minutę [RPM]. KOREKTA L – współczynnik liniowy dla koła lewego 1. KOREKTA P – współczynnik liniowy dla koła prawego 2. – wartość niesiona przez B1 wyrażona w systemie dziesiętnym (0 – 255) – wartość niesiona przez B2 wyrażona w systemie dziesiętnym (0 – 255). Dane B1 i B2 następnie trafiają do odbiornika XBEE RX, gdzie poprzez układ FT232BL firmy FTDI konwertowane są do postaci możliwej do transmisji poprzez interfejs USB do komputera, na którym następuje ich akwizycja. Do akwizycji danych autor pracy zastosował przygotowaną przez siebie aplikację o nazwie POMIAR_PRĘDKOŚCI. Wykonana ona została za pomocą programu LABVIEWTM. W programie tym na podstawie wcześniejszej kalibracji podaje się wartości współczynników KOREKTA L i KOREKTA P. Na tej podstawie ze wzorów (4.32) i (4.33) obliczane są prędkości obrotowe kół. Więcej informacji na ten temat w podrozdziale 4.4.2.5. Warto w tym miejscu zaznaczyć, że wszystkie moduły elektroniki tj. INTERPRETER RC, REGULATOR PRĘDKOŚCI, LICZNIK IMPULSÓW, OBSŁUGA XBEE ORAZ XBEE RX zaprojektowane i wykonane zostały przez autora pracy na osobnych płytkach. Modularny charakter układu UPS umożliwia jego łatwiejszą obsługę, montaż, naprawę oraz ewentualną rozbudowę bądź modyfikację. Tabela 4.2. Transmisja radiowa - dane ogólne Zasięg wewnątrz budynku Zasięg na otwartej przestrzeni Moc transmisji Szybkość transmisji RF Prędkość transmisji USART Czułość odbiornika Zasilanie Napięcie zasilania Pobór prądu podczas transmisji (średnio) Pobór prądu podczas odbioru (średnio) Pobór prądu w trybie power-down Dane ogólne Częstotliwość nadawania/odbioru Wymiary Temperatura otoczenia pracy Źródło: opracowane na podstawie [72]. max. 30 m max. 90 m 1mW (0dBm) 250 000 bps 1200 bps – 250 kbps -92 dBm 2.8-3.4V 45 mA 50 mA < 10 µA 2.4 GHz 24.38mm x 27.61mm -40 - 80 º C 44.

(45) Projekt robota inspekcyjnego do zbiorników z cieczą 4.4.2.3.. GML Camera Calibration. We wstępie zostało wspomniane, że do dokładnego działania program TEMATM potrzebuje zestawu parametrów optycznych aparatu fotograficznego. Wykorzystuje on metodę Bouguet [70], która w niniejszej pracy nie będzie omawiana. Na zestaw parametrów składają się ogniskowa aparatu – focal length, tzw. principal point (x0,y0) – punkt centralny zdjęcia, przez który przechodzi oś optyczna kamery, dystorsje radialne kc1 i kc2 oraz dystorsje styczne kc3 i kc4. Istnieje jeszcze piąty parametr radialnej dystorsji kc5. Jednak nie jest on wykorzystywany, więc można przyjąć, że jest równy zeru. Idealnym źródłem informacji na temat wartości wymienionych wyżej parametrów jest program GML Camera CalibrationTM. W tym podrozdziale zostało opisane, w jaki sposób należy wykonać kalibrację za pomocą tegoż programu celem uzyskania wymaganych wartości. Pierwszą czynnością jest dobór tablicy kalibracyjnej. Ma ona postać biało-czarnej szachownicy (rys.4.18). Jeden z boków szachownicy musi składać się z nieparzystej liczby kwadratów, drugi – z parzystej. Jak widać na rysunku, należy wykonać zdjęcia tablicy w taki sposób, by znajdowała się ona w miarę możliwości w każdym zakątku kadru. Dodatkowo gdy tablica znajduje się w danym miejscu kadru, trzeba wykonać jej zdjęcia pod różnymi kątami. Przykład dla pozycji drugiej pokazuje rys.4.19.. Rys.4.18. Tablica powinna znajdować się w wielu miejscach kadru. 45.