Departamento de Engenharia Mecânica Orientador: Prof. Dr. Vítor Santos

Apresentação em tema: "Departamento de Engenharia Mecânica Orientador: Prof. Dr. Vítor Santos"— Transcrição da apresentação:

1 Departamento de Engenharia Mecânica Orientador: Prof. Dr. Vítor Santos
Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Projecto de Automação Scanner 3D para Aplicações em Modelação e Navegação Autor: Miguel Dias Orientador: Prof. Dr. Vítor Santos

2 Objectivos Concepção e implementação de um sistema de percepção 3D com base num sensor 2D; Desenvolvimento da estrutura mecânica adequada; Selecção e implementação de uma interface standard de comando (RS232, USB, ou outra); Concepção da unidade de controlo (hardware/software) do sistema; Estudo da influência da dinâmica do movimento sobre desempenho do sensor original; Desenvolvimento de software base para aquisição 3D.

3 (Já existentes no laboratório)
Principais Componentes a Utilizar (Já existentes no laboratório) Laser (Sick LMS modelo indoor) Motor passo a passo

4 Introdução Como é que se realiza a concepção e implementação de um sistema de percepção 3D com base num sensor 2D? Varrimento num plano

5 Como chegar à 3 dimensão? Aquisição linear Aquisição rotacional

6 Estrutura Mecânica No desenvolvimento da estrutura mecânica tomou-se em conta que esta tinha que: Ter resistência mecânica para suportar o laser bem como o seu movimento; Permitir que o laser efectuasse scan’s de 270º, sem que nenhuma parte mecânica interferisse na leitura e obtenção dos dados; Servir de suporte do motor bem como da placa de controlo e todo o hardware associado a esta.

7 Colocação do sensor Aproveitamento total do campo de visão do laser;
Varrimento na Horizontal Varrimento na vertical Aproveitamento total do campo de visão do laser; Melhor na detecção de obstáculos verticais (pilares, portas, etc.).

8 Possibilidades estruturais
Algumas das estruturas estudadas Não permitiam um aproveitamento total do campo de visão do laser;

9 Possibilidades estruturais
Solução final

10 Estudo Dinâmico da Estrutura
(Força vertical de 60N em cada um dos apoios de Alumínio) Tensão máxima = 0,7319MPa Deslocamento máximo = 0,0034mm ced = 2,76x107 Pa

11 Selecção de componentes mecânicos
(Rodas dentadas) Binário máximo do motor = 1,2Nm Massa do sensor = 4,5Kg R = 79,5mm R F M=79,5x10-3x4,5x9,8 =3,51Nm Relação de transmissão: Rodas dentadas (5mm passo,10mm largura) nx1,2 ≥ 3,51  n ≥ 2,93 Valor escolhido: n = 5 Z1 = 12 (motor) Z2 = 60 (sensor)

12 Selecção de componentes mecânicos
(Correia plana dentada) d1 = 94,65mm d2 = 18,25mm 210,09mm≤ a ≤ 218,04mm L = 2a + /2 (d2 + d1) + 1/4a (d2 + d1)^2 Lmin = 604,47mm Lmax = 620,37mm Correia plana dentada escolhida: 10x610mm, 5mm passo

13 Hardware Solução Inicial (Primeiro teste para validar a abordagem)
PLC Mitsubishi FX2N-16MR-DS Carta FX2N-1PG Pulse Generator Unit Carta de potência Motor passo a passo Foi abandonada visto que todo o conjunto se revelava pouco compacto, bastante volumoso, caro e não possuía realimentação da posição do sensor.

14 Medição da Posição Absoluta do Sensor
Hardware Medição da Posição Absoluta do Sensor Uma das formas encontradas para fazer a medição da posição absoluta do sensor, foi a da utilização de um potenciómetro de 3 voltas. Potenciómetro

15 Hardware Solução Final
Tomando em conta que a escolha do microcontrolador que iria substituir o PLC teria que satisfazer os seguintes requisitos: Possuir entradas analógicas e I/O digitais; Porta de comunicação série; Gerador de PWM para controlo do motor; Memória interna para guardar o programa de controlo; Temporizadores; “Interrupts”; Fácil programação; Software de desenvolvimento económico; Informação disponível (manuais, etc.); Custo (ser um microcontrolador económico).

16 Solução Final (continuação)
Hardware Após alguma pesquisa, quer em livros quer na Internet, sobre circuitos para controlo de motores passo a passo e de microcontroladores, optou-se pelos microcontroladores PIC da Microchip. O PIC utilizado para substituir o PLC foi o modelo 16F876 (visto que preenchia todos os requisitos atrás referidos). O que é um PIC? CPU RISC de alto desempenho, concebido em torno da arquitectura Harvard.

17 Solução Final (continuação)
Hardware Principais características do PIC16F876

18 Solução Final (continuação)
Hardware Aspecto final da placa de controlo Gerador de pulsos e circuito de potência Microcontrolador e divisor de frequência Comunicação RS232 Fonte alimentação

19 Solução Final (continuação)
Hardware A placa desenvolvida, é uma solução mais elegante e menos volumosa que a solução inicial.

20 Software Programação do PIC
Software de controlo da placa electrónica foi totalmente escrito em linguagem C e compilado com um compilador da HI-TEC® próprio para PIC’s.

21 Software Programação do PIC Alguns exemplos da programação
Programação das portas do PIC #include <pic.h> TRISA=0b ; /* RA0,RA3,RA4 input, RA1,RA2 e RA5, output, (0=output, 1=input) */ TRISB=0b ; /* RB0 input, RB1..RB7 outputs */ TRISC=0b ; /* RC7 input, RC0..RC6 output */ Programação da USART (Comunicação RS232) SPBRG = 129; /* BR=9600 (9600=129, 19200=64, 38400=32, 57600=21, =10, =4)*/ BRGH = 1; /* BR high speed (BRGH=0, Low Speed) */ SPEN = 1; /* Serial Port Enable (SPEN=0, Serial Port Disable) */ TXEN = 1; /* Transmit Enable (TXEN=0, Transmit Disable) */ CREN = 1; /* Continuous Reception Enable (CREN=0, Disables Continuous Reception) */ RCIE = 1; /* Enables the USART receive interrupt */

22 Software Programação do PIC
Configuração da ADC para Leitura da Posição Vertical (Inclinação) R = 10K e percurso angular = 1080º. Vref + = 3,9V, externa (visto que valor máximo ADC = 3,7V). Vref - = 0V, interna. Resolução ADC = 10bits. 10K/1080º  9,3/º  resistência por cada grau que o potenciómetro roda. i = 5V/10K = 0,5 mA  intensidade que percorre o potenciómetro. 3,9V/210 = 3,81mV  variação de tensão mais pequena que a ADC detecta. 3,81mV/0,5mA = 7,62  resistência mínima para fazer variar a ADC de um valor. (7,62/9,3/º)/3 = 0,27º  erro de posicionamento do laser.

23 Software Programação do PIC
Diagrama de blocos da inicialização da placa controladora

24 Software Programa de controlo
Mensagens a enviar para a placa de controlo Todas as mensagens enviadas para a placa de controlo têm 8 bits. Comunicação fácil e de rápida implementação.

25 Processamento e aquisição de dados
LINUX + acquire Windows + FTP server Telnet FTP Ordem RS baud Posição Laser Dados Laser RS422 – 500Kbaud Visualização dos dados ADC

26 Alguns resultados obtidos
Velocidade angular do laser de 3,5º/s Velocidade angular do laser de 21,1º/s

27 Alguns resultados obtidos

28 Conclusão Através da análise das imagens obtidas podemos ver claramente as potencialidades do sistema construído. De notar que a baixas velocidades notam-se bastantes imperfeitos na representação de alguns objectos, isso deve-se ao facto de o movimento do motor não se realizar muito suavemente, fazendo com que o laser sofra vibrações. Futuramente seria interessante dotar a estrutura de um sistema de travão, que fosse capaz de bloquear o motor passo a passo em caso de falta de energia. Todos os objectivos propostos no inicio deste projecto foram cumpridos, faltando apenas avaliar a influência da dinâmica do movimento sobre desempenho do sensor original.

29 Agradecimentos Eng. António Festas Orientador Prof. Dr. Vítor Santos
Todos os colegas de curso