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Universidade de Aveiro Departamento de Engenharia Mecânica Projecto de Automação Scanner 3D para Aplicações em Modelação e Navegação Autor: Miguel Dias.

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

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 linearAquisição rotacional

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

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

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

9 Possibilidades estruturais Solução final

10 Deslocamento máximo = 0,0034mmTensão máxima = 0,7319MPa Estudo Dinâmico da Estrutura (Força vertical de 60N em cada um dos apoios de Alumínio) ced = 2,76x10 7 Pa

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

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 L min = 604,47mm L max = 620,37mm Correia plana dentada escolhida: 10x610mm, 5mm passo

13 Carta de potência PLC Mitsubishi FX 2N -16MR-DS Carta FX 2N -1PG Pulse Generator Unit 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. Solução Inicial (Primeiro teste para validar a abordagem) Hardware

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

15 Solução Final Hardware Tomando em conta que a escolha do microcontrolador que iria substituir o PLC teria que satisfazer os seguintes requisitos: Gerador de PWM para controlo do motor; Porta de comunicação série; Possuir entradas analógicas e I/O digitais; 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 O que é um PIC? CPU RISC de alto desempenho, concebido em torno da arquitectura Harvard. 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).

17 Solução Final (continuação) Hardware Principais características do PIC16F876

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

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

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

21 Programação do PIC Software Alguns exemplos da programação #include 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 */ 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 */ Programação das portas do PIC Programação da USART (Comunicação RS232)

22 Programação do PIC Software Configuração da ADC para Leitura da Posição Vertical (Inclinação) 10K /1080º 9,3 /º resistência por cada grau que o potenciómetro roda. R = 10K e percurso angular = 1080º. Vref + = 3,9V, externa (visto que valor máximo ADC = 3,7V). Vref - = 0V, interna. Resolução ADC = 10bits. i = 5V/10K = 0,5 mA intensidade que percorre o potenciómetro. 3,9V/2 10 = 3,81mV variação de tensão mais pequena que a ADC detecta. (7,62 /9,3 /º)/3 = 0,27º erro de posicionamento do laser. 3,81mV/0,5mA = 7,62 resistência mínima para fazer variar a ADC de um valor.

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

24 Programa de controlo Software 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 FTP LINUX + acquire Windows + FTP server Telnet Posição Laser Ordem RS baud 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. Todos os objectivos propostos no inicio deste projecto foram cumpridos, faltando apenas avaliar a influência da dinâmica do movimento sobre desempenho do sensor original. 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.

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


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