Proiect de Licenta [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITATEA „DUNĂREA DE JOS” DIN GALAȚI FACULTATEA DE AUTOMATICĂ, CALCULATOARE, INGINERIE ELECTRICĂ ȘI ELECTRONICĂ

PROIECT DE LICENȚĂ

Îndrumător proiect/Coordonator științific, Prof.habil.dr.ing. MARIAN GĂICEANU

Absolvent, Manolache Dinu

Galați Anul 2019

Str. Științei Nr. 2, cod poștal 800146, Galați, România, tel/fax: +0236 470 905, e-mail: [email protected], web: www.aciee.ugal.ro

UNIVERSITATEA „DUNĂREA DE JOS” DIN GALAȚI FACULTATEA DE AUTOMATICĂ, CALCULATOARE, INGINERIE ELECTRICĂ ȘI ELECTRONICĂ

SPECIALIZAREA: Electromecanică

TITLUL PROIECTULUI Vehicul de Explorare și Cercetare

Îndrumător proiect/Coordonator științific, Prof.habil.dr.ing. MARIAN GĂICEANU

Absolvent, Manolache Dinu

Galați Anul 2019

Str. Științei Nr. 2, cod poștal 800146, Galați, România, tel/fax: +0236 470 905, e-mail: [email protected], web: www.aciee.ugal.ro

UNIVERSITATEA „DUNĂREA DE JOS” DIN GALAȚI FACULTATEA DE AUTOMATICĂ, CALCULATOARE, INGINERIE ELECTRICĂ ȘI ELECTRONICĂ

Anexa 1

Departamentul __________________INGINERIE ELECTRICĂ________________________________________

PROIECT DE DIPLOMĂ/LUCRARE DE DISERTAŢIE

Numele si prenumele absolventului: ____________Manolache Dinu_______________________________ Domeniul / Specializarea: _______________________ELECTROMECANICĂ__________________________ Tema proiectului de diplomă/ lucrării de disertație ____________________________________________ _______________________„VEHICUL DE EXPLORARE ȘI CERCETARE________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ Conducător științific: _______Prof. habil. dr. ing. MARIAN GĂICEANU___________________________ Consultant de specialitate: ______ Prof. habil. dr. ing. MARIAN GĂICEANU______________________ Data primirii temei:____________________________ La elaborarea proiectului de diplomă / lucrării de disertație se va respecta Regulamentul de întocmire a proiectelor de diplomă și a lucrărilor de disertație, disponibil pe site-ul facultății http://www.aciee.ugal.ro/studenti/finalizare-studii/regulamente-si-formulare

Conducător științific, Prof. habil. dr. ing. MARIAN GĂICEANU

Absolvent, MANOLACHE DINU

Str. Științei Nr. 2, cod poștal 800146, Galați, România, tel/fax: +0236 470 905, e-mail: [email protected], web: www.aciee.ugal.ro 1/1

UNIVERSITATEA „DUNĂREA DE JOS” DIN GALAȚI FACULTATEA DE AUTOMATICĂ, CALCULATOARE, INGINERIE ELECTRICĂ ȘI ELECTRONICĂ

Anexa 2 Nr. _____/__________________ Aprobat, Decan

DOMNULE DECAN

Subsemnata/Subsemnatul, _______________MANOLACHE DINU_________________________________, absolventă/absolvent a/al Facultății de Automatică, Calculatoare, Inginerie Electrică și Electronică, din cadrul Universității Dunărea de Jos din Galați, domeniul INGINERIE ELECTRICĂ_____, specializarea (licență/master) ______________________________________ _________________ELECTROMECANICĂ____________________________________________________________________, promoția _____2019______, vă rog să-mi aprobați înscrierea la examenul de licență/disertație sesiunea _______IULIE 2019_____________________________. Am ales proiectul de diplomă/lucrarea de disertație cu titlul ________________________„VEHICUL DE CERCETARE ȘI EXPLORARE”_____________________________ _____________________________________________________________________________________________________________ sub îndrumarea _________Prof. habil. dr. ing. MARIAN GĂICEANU_____________________________________. Am citit cu atenție REGULAMENTUL DE ÎNTOCMIRE A PROIECTELOR DE DIPLOMĂ ȘI LUCRĂRILOR DE DISERTAȚIE și l-am respectat integral.

Data: _____________________ Semnătura ____________________________

Viza îndrumătorului proiectului/coordonatorului lucrării__________________________

Viza Directorului de departament ce coordonează programul __________________

Media multianuala

Viză secretariat ACIEE

Str. Științei Nr. 2, cod poștal 800146, Galați, România, tel/fax: +0236 470 905, e-mail: [email protected], web: www.aciee.ugal.ro 1/1

UNIVERSITATEA „DUNĂREA DE JOS” DIN GALAȚI FACULTATEA DE AUTOMATICĂ, CALCULATOARE, INGINERIE ELECTRICĂ ȘI ELECTRONICĂ

Anexa 3 la Regulamentul de întocmire a proiectelor de diplomă și a lucrărilor de disertație

DECLARAŢIE

Subsemnata (ul), ____________________MANOLACHE DINU_____________________________________ absolventă/absolvent a/al Facultății de Automatică, Calculatoare, Inginerie Electrică și Electronică, din cadrul Universității “Dunărea de Jos” din Galați, promoția ____2019_______, specializarea ________________________ELECTROMECANICĂ_____________________________________________, declar pe proprie răspundere că proiectul de diplomă/lucrare de disertație cu titlul „____________VEHICUL DE EXPLORARE ȘI CERCETARE________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________”este elaborat/elaborată de mine și nu a mai fost prezentat/prezentată niciodată la o altă facultate sau instituție de învățământ superior din ţară sau străinătate. De asemenea, declar că toate sursele utilizate, inclusive cele de pe Internet, sunt indicate în proiect/lucrare, cu respectarea regulilor de evitare a plagiatului. “Plagiatul: însușirea ideilor, metodelor, procedurilor, tehnologiilor, rezultatelor sau textelor unei persoane, indiferent de calea prin care acestea au fost obținute, prezentându-le drept creație proprie.” Am luat la cunoștință că prezentarea unui/unei proiect/lucrări plagiate va conduce la anularea diplomei de licență/master. Lucrarea conține un număr de ____51____ pagini.

Data: ________________ Semnătura ____________________________

Str. Științei Nr. 2, cod poștal 800146, Galați, România, tel/fax: +0236 470 905, e-mail: [email protected], web: www.aciee.ugal.ro 1/1

UNIVERSITATEA „DUNĂREA DE JOS” DIN GALAȚI FACULTATEA DE AUTOMATICĂ, CALCULATOARE, INGINERIE ELECTRICĂ ȘI ELECTRONICĂ

Anexa 4

ACORD PRIVIND TRANSFERUL REZULTATELOR PROIECTULUI DE DIPLOMĂ/LUCRĂRII DE DISERTAŢIE

Subsemnata (ul), _________MANOLACHE DINU__________________________, absolventă/absolvent a/al Facultății de Automatică, Calculatoare, Inginerie Electrică și Electronică, din cadrul Universității “Dunărea de Jos” din Galați, promoția _______2019___________, specializare ______________________________ELECTROMECANICĂ______________________________________________________, (NU) SUNT DE ACORD* să cedez rezultatele software și hardware - aferente proiectului de diplomă/lucrării de disertație – în favoarea Facultății de Automatică, Calculatoare, Inginerie Electrică și Electronică, din cadrul Universității “Dunărea de Jos” din Galați, pentru creșterea dotării materiale a facultății și în folosul exclusiv al studenților. Proiectul/lucrarea conține următoarele: 1) Partea hardware compusă din: _________PROTOTIPUL VEHICULULUI DE CERCETARE ŞI EXPLORARE________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 2) Partea software compusă din: _______PROGRAM SOFTWARE PENTRU CONDUCEREA ŞI CONTROLUL DE LA DISTANŢĂ__ _________________________AL VEHICULULUI________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ Data: ________________ Semnătura ____________________________

Notă: * Se taie (bifează), după caz

Str. Științei Nr. 2, cod poștal 800146, Galați, România, tel/fax: +0236 470 905, e-mail: [email protected], web: www.aciee.ugal.ro 1/1

UNIVERSITATEA „DUNĂREA DE JOS” DIN GALAȚI FACULTATEA DE AUTOMATICĂ, CALCULATOARE, INGINERIE ELECTRICĂ ȘI ELECTRONICĂ

Anexa 5 Departamentul _______________ELECTROMECANICĂ___________________________________ Sesiunea:______________________IULIE 2019_____________________________________________

REFERAT DE EVALUARE a proiectului de diplomă / lucrării de disertație cu titlul ________________________________________ ____„VEHICUL DE EXPLORARE ȘI CERCETARE”___________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ Elaborat (ă) de absolventul _____________MANOLACHE DINU____________________________________ Perioada de documentare și pregătire ___________________________________________________________ Conținutul proiectului _____________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ Contribuții personale ale autorului _______________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ Respectă regulile de întocmire și redactare?

DA / NU

Se propune ADMITEREA / RESPINGEREA proiectului / lucrării pentru susținerea publică. Nota propusă _________________________ (această notă nu va fi luată în calculul mediei finale) Data,

Conducător științific,

Str. Științei Nr. 2, cod poștal 800146, Galați, România, tel/fax: +0236 470 905, e-mail: [email protected], web: www.aciee.ugal.ro 1/1

CUPRINS Introducere...........................................................................................................................................................1 Capitolul 1. Generalități...................................................................................................................................3 1.1. Scurt istoric...........................................................................................................................................3 1.2. Versiuni ale dispozitivului. Situația actuală în domeniu...................................................3 Capitolul 2. Stabilirea cerințelor față de sistem....................................................................................5 2.1. Cerințe față de autonomie și raza de acțiune.........................................................................5 2.2. Cerințe față de sistemul de propulsie și capacitatea de trecere.....................................5 2.3. Cerințe față de fiabilitate, mentenanță și reparație.............................................................6 Capitolul 3. Sistemul de propulsie...............................................................................................................7 3.1. Tipul de motoare utilizate..............................................................................................................8 3.2. Calcul de alegere a motoarelor de tracțiune........................................................................12 Capitolul 4. Sistemul de stocare a energiei...........................................................................................15 4.1. Alegerea tehnologiei bateriilor de acumulatori. Avantaje și dezavantaje..............15 4.2. Calculul capacității totale a sistemului și parametrii nominali...................................18 4.2.1. Specificații tehnice ale celulelor Li-Ion alese..........................................................18 4.2.2. Calculul parametrilor nominali ai bateriei de acumulatori..............................19 Capitolul 5. Sistemul de încărcare și monitorizare a bateriei de acumulatori......................21 5.1. Sistemul de încărcare a bateriilor de acumulatori............................................................21 5.1.1. Calculul punții redresoare..............................................................................................21 5.1.2. Calculul condesatorului de netezire (filtrare).......................................................22 5.1.3. Calculul transformatorului coborâtor.......................................................................23 5.1.4. Calculul convertorului cc-cc buck pentru limitarea tensiunii de încărcare.....................................................................................................................................24 5.1.5. Alegerea sistemului de limitare a curentului de încărcare..............................29 5.2. Sistemul de monitorizare a bateriilor de acumulatori....................................................30 Capitolul 6. Sistemul de recepție al vehiculului..................................................................................34 6.1. Echipamente utilizate. Specificații tehnice...........................................................................34 6.1.1. Arduino Pro Mini................................................................................................................34 6.1.2. Modulul radio Nrf24L01..................................................................................................35 6.1.3. Senzorul de tensiune.........................................................................................................37 6.1.4. Senzorul de distanță..........................................................................................................38 6.1.5. Servomotorul.......................................................................................................................40 6.2. Principiul de funcționare al sistemului de recepție de pe vehicul.............................42 Capitolul 7. Sistemul de telecomandă.....................................................................................................43 7.1. Echipamente utilizate. Specificații tehnice...........................................................................43 7.1.1. Potențiometrul....................................................................................................................43 7.1.2. Joystick-ul..............................................................................................................................44 7.2. Principiul de funcționare al emițătorului..............................................................................46 Capitolul 8. Teste și rezultate.....................................................................................................................47 Concluzii..............................................................................................................................................................51 Bibliografie.........................................................................................................................................................52 Anexe.....................................................................................................................................................................53

LISTA FIGURILOR Fig. 1 Roverul selenar STR-1 pe acoperișul CAE „Cernobâl”, reechipat cu lamă frontală http://chornobyl.in.ua/robot-str.html[9]...............................................................................................4 Fig. 2 Coolbox, Toshiba Corp. http://chornobyl.in.ua/fukusima-robot-toshiba.html[10].4 Fig. 3 Semnal PWM............................................................................................................................................7 Fig. 4 Construcția motorului de curent continuu cu magneți permanenți................................8 Fig. 5 Caracteristica mecanică a motoarelor de cc cu magneți permanenți...........................10 Fig. 6 Carcatcteristica de reglaj a MCC cu MP......................................................................................10 Fig. 7 Celule Li-Ion Samsung.......................................................................................................................15 Fig. 8 Schema de conectare a bateriei de acumulatori....................................................................19 Fig. 9 Punte redresoare KBPC2505..........................................................................................................22 Fig. 10 Transformator toroidal 100(VA)...............................................................................................23 Fig. 11 Convertor BUCK N.Badea - MSSE - Editura Fundației Universitare „Dunărea de Jos” din Galați, 2018, p.151..........................................................................................................................24 Fig. 12 Integrata XLSemi4016E1..............................................................................................................24 Fig. 13 Nomograma E*T = f(IS)..................................................................................................................25 Fig. 14 Curentul prin diodă..........................................................................................................................28 Fig. 15 Schema funcțională a limitatorului de curent......................................................................30 Fig. 16 Sistem BMS pentru trei celule li-ion.........................................................................................33 Fig. 17 Arduino Pro Mini...............................................................................................................................34 Fig. 18 Modul Nrf24L01................................................................................................................................35 Fig. 19 Schema divizorului de tensiune.................................................................................................37 Fig. 20 Senzor ultrasonic HC-SR04...........................................................................................................38 Fig. 21 Forma sistemului radar afișată pe ecranul operatorului................................................39 Fig. 22 Schema electrică a sistemului radar.........................................................................................41 Fig. 23 Explicativă la unghiul de detectare a senzorului de obstacole cu ultrasunete......41 Fig. 24 Schema logică de funcționare a sistemului receptor de pe vehicul............................42 Fig. 25 Construcția potențiometrului......................................................................................................43 Fig. 26 Joystick utilizat în telecomanda vehiculului de cercetare și explorare.....................44 Fig. 27 Schema de conectare a joystick-ului........................................................................................45 Fig. 28 Explicativă la tipul de întoarcere pe loc cu rază zero........................................................45 Fig. 29 Schema logică telecomandă.........................................................................................................46 Fig. 30 Scanare zgomote canale modul radio......................................................................................47 Fig. 31 Testare tensiune celulă li-ion......................................................................................................48 Fig. 32 Baterie de acumulatori asamblată.............................................................................................48 Fig. 33 Testarea tensiunii cu multimetrul (stânga) și afișarea tensiunii cu monitorul serial (dreapta).................................................................................................................................................49 Fig. 34 Rezultate dispozitiv radar (distanța până la cel mai apropiat obstacol – stânga, și unghiul de citire – dreapta).........................................................................................................................50 LISTA TABELELOR Tabelul 1 Coeficientul de rezistență la rulare.....................................................................................13 Tabelul 2 Coeficienți de corectare calcul punte redresoare..........................................................22 Tabelul 3 Alegerea inductanței și curentului nominal al bobinei...............................................26 Tabelul 4 Alegerea condensatorului la ieșirea convertorului......................................................26 Tabelul 5 Valori nominale ale condensatorilor..................................................................................26 Tabelul 6 Modele diode Schottky..............................................................................................................29

REZUMAT Această lucrare reprezintă o sinteză a cunoștințelor teoretice și practice acumulate în timpul celor patru ani de facultate, cât și studiului individual extracuricular. S-au discutat, argumentat, demonstrat și implementat cunoștințe teoretice ce țin de domeniul programării microcontrolerelor, calculului unei surse stabilizate de alimentare și calculul de alegere a motoarelor de tracțiune a unui vehicul de explorare și cercetare. Totodată, s-a studiat și implementat calculul distanțelor până la obiecte solide, cu ajutorul unui dispozitiv radar, baza căruia este compusă dintr-un servomotor ce asigură deplasarea unghiulară a sistemului radar, și un senzor ultrasonic ce permite calculul distanței până la obstacolele cele mai apropiate, prin intermediul unei avalanșe de impulsuri sonore cu o frecvență de 40kHz. Realizarea fizică a unui prototip a fost posibilă și datorită faptului că autorul a avut oportunitatea de a studia modelarea 3D asistată de calculator, care a permis fabricarea pieselor mecanice, necesare asamblării sistemului portant al vehiculului, compus din boghiuri de suspensie, ansamble rigide, reductoare pentru motoare, șasiu ș.a, cu ajutorul softului Autodesk Inventor Professional 2015 (licență pentru studenți). Pentru sistemul de propulsie s-a studiat și implementat acționarea motoarelor electrice de curent continuu cu convertoare cc-cc de patru cadrane, cu posibilitatea frânării electrice. O importanță deosebită s-a acordat sistemului de încărcare a bateriilor de acumulatori, care trebuiau încărcate în perioade de timp cât mai restrânse, luând în calcul domeniul de utilizare a vehiculului în cauză. Deoarece perfecțiunea nu are limite, la finalul lucrării, autorul își propune, în viitor, modernizarea vehiculului prin extinderea razei de acțiune a vehiculului până la 1km, extinderea funcționalității prin adăugareaunui braț robotic condus de mișcările brațului operatorului și instalarea unei camere conectată, prin tehnologie fără fir, la ochelarii de realitate virtuală ai operatorului, pentru a facilita utilizarea vehiculului în afara ariei de contact vizual cu centrul de comandă.

INTRODUCERE Lucrarea dată este un proiect demarat acum doi ani, scopul inițial fiind studierea aprofundată a acționărilor electrice cu ajutorul microcontrolerului Atmel MEGA328p, integrate în platformele de dezvoltare Arduino. În urma studiilor efectuate, s-a decis proiectarea unui vehicul de cercetare-explorare, cu comandă de la distanță și senzori integrați. Rezultatul proiectării și construirii unui prototip, la scară, a devenit obiectivul lucrării de față. Pentru proiectarea vehiculului s-au utilizat numeroase surse fizice din biblioteca Universității „Dunărea de Jos” din Galați, cât și surse on-line și studii antecedente, pentru familiarizarea cu programarea microcontrolerelor și utilizarea electronicii de putere. La proiectarea programelor software s-a utilizat platforma de programare Arduino IDE. Motivul principal, care a stat la baza alegerii acestui mediu de programare, este ușurința în utilizare, documentație suficientă pentru studierea metodelor de programare și disponibilitatea numeroaselor librării, ușurând, astfel, munca depusă pentru proiectarea software. În cazul modelării 3D a pieselor mecanice necesare s-a utilizat softul Autodesk Inventor Professional 2015[15], versiunea pentru studenți, iar pentru fabricarea fizică a pieselor s-a utilizat imprimanta Anet A8 în tandem cu soft-ul Cura, versiunea 14.7[21]. Pentru asamblarea sistemului de comunicație și comandă, s-au utilizat module prefabricate, deoarece asamblarea de sinestătător a acestora ar fi, aproximativ, de 3 ori mai scumpă și ar necesita un consum considerabil de timp, totodată eliminând utilizarea eficientă a spațiului, deja limitat, pe vehicul. Partea de forță este compusă din bateriile de acumulatori, tehnologie Li-Ion cu capacitatea estimată de 5.2Ah și o tensiune nominală de 12V, motoare de curent continuu cu perii, cu tensiune nominală – 12V și un modul integrat de tranzistoare tip MOS-FET în punte H dublă – L298N[23], comandat cu semnale logice prin modulația lățimii de impuls – PWM1, generate de microcontroler. Monitorizarea, în timp real, a nivelului de încărcare a acumulatorilor este efectuată de un senzor de tensiune, care livrează date microcontrolerului, acesta livrându-le, la rândul său, centrului de comandă, prin intermediul modulului de comunicație Nrf24L01+. Pentru a avea o lucrare completă, s-a decis proiectarea unei surse de încărcare a bateriilor de acumulatori, cu posibilitatea reglării atât tensiunii, cât și curentului – tehnologie de încărcare CC-CV2. Acest tip de încărcător este indispensabil pentru celulele Li-Ion, deoarece acestea sunt pretențioase în privința încărcarii. 1

PWM – eng. Pulse Width Modulation. Este o metodă de reducere a puterii medii livrate de un semnal electric, prin tăierea efectivă a acestuia în părți discrete.[11] 2 CC-CV – eng. Constant Voltage, Constant Current. Metodă de încărcare a bateriilor fabricate în tehnologie LiIon în care este controlată și limitată nu numai tensiunea livrată celulelor, în timpul încărcării acestora, ci și curentul de încărcare. Limitarea curentului de încărcare e necesar pentru a evita supraîncălzirea celulelor prin efect Joule, în timpul încărcării, și ieșirea din funcțiune a acumulatorilor fără posibilitatea eventualei remedieri.

1

Datorită faptului că vehiculul dat va fi comandat de la distanță, dintr-un centru de comandă, s-a decis echiparea acestuia cu un senzor ultrasonic, tip radar, care va livra date despre obstacolele ce urmează a fi întâlnite și distanța până la ele, raza de acționare a senzorului fiind de 3,5 metri. În viitorul apropiat, se urmărește reproiectarea sistemului de suspensie, în vederea rigidizării principalelor noduri, pentru mări capacitatea de încărcare a vehiculului. Totodată, se vizează extinderea funcționalității prin montarea adițională a unui tracker GPS, a unei camere de Realitate Virtuală și a unui braț robotic, comandat de mișcările operatorului, ceea ce va permite utilizarea vehiculului pentru prelevarea de mostre din zone sau medii periculoase, fără a supune riscului operatorul uman.

Prototipul vehiculului de cercetare și explorare

2

CAPITOLUL 1. GENERALITĂȚI Omul a vrut mereu să meargă mai repede, mai departe, mai sus, spre noi cuceriri... Așa a ajuns să cerceteze Groapa Marianelor, din Oceanul Atlantic, cu adâncimi mai mari de 11km, Muntele Everest cu înălțime peste 8km... Dar nu a fost de ajuns. Setea de a cunoaște mai multe despre universul în care trăim nu a lăsat, nici pentru o clipă, mințile strălucite ale omenirii. Așa a avut loc începutul unei noi ere – era cercetării spațiului cosmic și al corpurilor cosmice. 1.1. Scurt istoric La începutul anilor ’50 au început cercetări ample pentru a cuceri o nouă lume neexplorată – Luna, unicul satelit natural al Pământului. Datorită tehnologiilor imperfecte și cunoștințelor vagi din acea perioadă, sistemele de poziționare și orientare în spațiu nu erau suficient de precise și numeroșii „soli” ai Pământului spre Lună au suferit eșecuri: o parte dintre sateliții trimiși calculau eronat traiectoria și se adânceau în spațiul cosmic, pierzând astfel legătura cu centrul de comandă, alții, din motivul vitezei exagerat de mari, loveau suprafața Lunii distrugându-se. La început, în această cursă erau implicate trei mari țări ale lumii – URSS, SUA și China. Însă, în momentul venirii lui Leonid Brejnev, în 1964[18], la conducerea URSS, această țară a rămas în urmă cu crecetările, din motivul interesului redus față de spațiul cosmic a noului lider rus. Astfel, după multe încercări sortite eșecului și cu întărzieri enorme, abia pe 31 ianuarie 1966, aparatul LUNA 9 aselenizează, fără defecțiuni, și trimite primele poze panoramice cu orizontul Lunii, confirmând teoria că suprafața selenară e dură, cu zone izolate de praf din rocă[19]. Acest eveniment a decis soarta ulterioară a cercetării Lunii cu vehicule mobile. După aselenizarea aparatului LUNA 9, pe Lună au ajuns peste 10 roveri1, printre care pionierii cercetării mobile - Lunokhod 1 (URSS) și Yutu (China) care au trimis, pe parcursul a câtorva decenii, poze, secvențe video, probe de sol și au explorat relieful accidentat în căutarea răspunsului originii universului. 1.2. Versiuni ale dispozitivului. Situația actuală în domeniu Proiectarea roverelor nu a stat pe loc și oamenii au început, în timp, să utilizeze platforme robotice asemănătoare roverelor în scopuri militare, de cercetare autonomă și semiautonomă a solurilor și reliefului, pentru intervenții în caz de catastrofe naturale, cum ar fi salvarea oamenilor din ruinele unei locuințe distruse în urma unui cutremur, și catastrofe tehnogene – cazul exploziei la centrala atomoelectrică Cernobâl în aprilie 1986[16], și explozia de la Fukusima în martie 2011[17]. În calitate de exemplu, primul aparat robotizat de transport specializat, cu comandă radio – STR-1, destinat cercetării Lunii, a fost reechipat cu o lamă frontală 1Rover

– eng. vagabond, hoinar. Este un vehicul de explorare spațială proiectat să se deplaseze pe suprafața unei planete sau a altui corp ceresc. Unii roveri au fost proiectaţi pentru a transporta membrii echipajului de zbor uman, alţii au fost roboți parțial sau complet autonomi.

3

pentru a curăți deșeurile radioactive de pe acoperișul reactorului 4 de la CAE „Cernobâl”. Nu se poate ezita afirmația că anume acest caz a fost catalizatorul declanșării erei roboților civili și a platformelor robotizate multifuncționale destinate cercetării, explorării și lichidării consecințelor dezastrelor naturale și tehnogene. În lunile și anii imediat următori, marile centre universitare ale lumii au demarat proiectarea unor Fig. 1 Roverul selenar STR-1 pe roboți civili, care să îndeplinească sarcinile propuse acoperișul CAE „Cernobâl”, reechipat cu în medii cu poluare radioactivă severă. lamă frontală Poate că singura consecință pozitivă a avariei http://chornobyl.in.ua/robotde la CAE „Cernobîl” este că accidentul a servit ca un str.html[2] impuls puternic pentru dezvoltarea roboticii civile în [2] URSS și în lume . La momentul accidentului, s-a dovedit că în țara primei persoane lansate în spațiu, care posedă cea mai puternică bază științifică pentru dezvoltarea dispozitivelor automate de cucerire a Lunii și a planetei Marte, nu existau roboți capabili să ajute oamenii în situații de urgență de pe pământ. Roboți capabili să intre într-o clădire în flăcări sau să inspecteze zone cu radiații înalte nu erau dezvoltați sau produși. Accidentul de la Cernobîl a deschis ochii la această problemă. Sa constatat că o parte din lucrările de curățare (decontaminare) a clădirilor centralei nucleare de la Cernobîl este pur și simplu imposibil de realizat fără sisteme automate de control la distanță - nivelurile de contaminare cu radiație au exclus prezența persoanelor. Roboții au fost, de asemenea, indispensabili, la construcția epocală a adăpostului peste reactorul distrus – așa numitul „sarcofag”. La momentul actual, cel mai performant robot tetrapod, capabil să opereze la niveluri ridicate de radiații și să se deplaseze în spațiile aglomerate ale centralelor nucleare de la Fukushima este Coolbox, creat de Toshiba Corporation. Robotul unic are patru picioare, o masă de 65 de kilograme, este echipat cu o cameră de luat vederi și dispozitive dozimetrice. Procesorul îi permite luarea deciziilor autonome cu privire la modul de depășire a obstacolelor. Acesta selectează independent modul de mișcare pe scări, viteza de deplasare, maxima fiind de 1 km/h, iar capacitatea bateriei asigură o autonomie de 2 ore. Potrivit dezvoltatorilor, robotul poate fi utilizat pentru a Fig. 2 Coolbox, Toshiba Corp. elimina accidentele locale, cum ar fi scurgeri de conducte de apă http://chornobyl.in.ua/fu dar și pentru transportul și livrarea încărcăturilor până la 20kg. kusima-robotRobotul tetrapod poartă un mic robot-cercetaș, pe care îl poate toshiba.html[1] utiliza pentru a explora spații mici și înguste. [1] În viitor compania intenționează să îmbunătățească robotul prin creșterea capacității de încărcare, până la 80 kg, și sporirea capacității de trecere peste obstacole de până la 50 cm înălțime. 4

CAPITOLUL 2. STABILIREA CERINȚELOR FAȚĂ DE SISTEM 2.1. Cerințe față de autonomie și raza de acțiune Datorită faptului că se așteaptă o exploatare în condiții preponderent severe, e necesară o autonomie cât mai extinsă și o rază de acțiune corespunzătoare pentru a ține operatorul cât mai departe de factorii care îi pot influiența sănătatea și capacitatea de muncă. Tehnologiile actuale permit ca cea mai mare capacitate de stocare, raportată la unitatea de masă, să fie reprezentată de celulele litiu-ion, cu tensiune nominală de 3,7V și capacitate de 3-3,5Ah. S-a stabilit, teoretic, că capacitatea de stocare a sursei de energie a vehiculului ar trebui să acopere o autonomie de 5-8 ore1, în dependeţă de regimul de utilizare, ceea ce corespunde unei zile complete de muncă. Deoarece, în condițiile actuale, este destul de dificilă utilizarea unor emițătoare radio de putere mare,2 s-a ajuns la concluzia că raza de acțiune de 1km ar fi suficientă pentru a ține operatorul uman la distanță relativ sigură. Totodată, echipamentul radio disponibil, utilizat pentru comanda de la distanță, permite execuția rapidă a dispozitivului de comandă, format dintr-o pereche emițător-receptor, care ar asigura raza necesară de conexiune sigură. 2.2. Cerințe față de sistemul de propulsie și capacitatea de trecere Sistemul de propulsie, fiind sistemul care asigură deplasarea, în spațiu, a vehiculului, trebuie să asigure forța de tracțiune necesară, pentru deplasarea vehiculului cu o viteză de 1,5-2m/s, o eficiență a transmisiei, cât mai ridicată, pentru a reduce pierderile prin frecare, deci un aport pozitiv în folosul autonomiei. Totodată, dat fiind faptul că vehiculul se va deplasa, pereponderent, pe teren accidentat și cu numeroase obstacole, e necesară dezvoltarea suspensiei în așa fel încât să asigure o capacitate de trecere sporită, garda la sol corespunzătoare, dependentă și de ecartamentul3 vehiculului, astfel încât să asigure depășirea eficientă a obstacolelor peste care va trece vehiculul, cât și un ampatament4 corespunzător, pentru a reduce riscul blocării roților datorită obiectelor mici ce pot nimeri între două axe vecine ale trenului rulant. Un factor important îl joacă tipul de antrenare al roților motoare. E necesară proiectarea unei acționări, cât mai simple, cu randament cât mai ridicat. Pentru a îndeplini această condiție, este necesar calculul și alegerea motoarelor care ar satisface 1Această

eroare are o plajă de 3-4 ore datorită regimului de exploatare variabil. În urma testelor s-a constatat că, în regim de marş, capacitatea bateriei de acumulatori ar asigura o autonomie aproximativă de 4-5 ore, pe când în regim mixt spre redus-staţionar, celulele ar asigura o funcţionare neîntreruptă ≥8 ore. 2 Utilizarea emiţătoarelor puternice ar putea influienţa negativ alte tipuri de conexiuni radio din zona de utilizare a vehiculului de cercetare-explorare prin inducerea de zgomote electromagnetice și interferențe sau chiar perturbații puternice, soldate cu întreruperi complete ale conexiunii. 3Ecartament – distanță între urmele lăsate, pe teren, de roțile aceleiași osii ale unui vehicul. [7] 4Ampatament - distanța dintre axele osiilor externe ale unui vehicul.[6]

5

necesarul de putere. Totodată, o rezervă de putere, care ar trece mult peste strictul necesar propulsiei vehiculului, ar rezulta în consum de energie nejustificat, deci o eficiență scăzută a sistemului. Este important ca acest aspect să fie tratat cu multă atenție, în cazul proiectării unui vehicul de cercetare și explorare – erorile sunt inadmisibile. Capacitatea de trecere este direct dependentă și de profilul corespunzător al părții roții, care se află în contact direct cu suprafața de rulare, numită bandă de rulare. Aceasta, din urmă, protejează carcasa roții contra deteriorărilor și uzării, transmite efortul de tracțiune și frânare și mărește aderența cu drumul, asigurând astfel necesarul deplasării pe suprafețe accidentate. Un profil necorespunzător al desenului benzii de rulare ar duce la derapări și chiar imposibilitate de deplasare a vehiculului. Totodată, patinajele dese și repetate aduc, de asemenea, un consum suplimentar de energie, deci acest aspect este la fel de important pentru un proiect reușit. 2.3. Cerințe față de fiabilitate, mentenanță și reparație Filosofia după care trebuie construit vehiculul din lucrarea dată implică două principii importante: primul – construcție modulară și doi – mentenanță redusă sau inexistentă. Principiul construcției modulare este impus de mai mulți factori, dintre care se evidențiază următorii: datorită impunerii mentenanței reduse, majoritatea pieselor și/sau nodurilor defecte vor implica o înlocuire în condiții de câmp, cu acces la un volum redus de scule și personal. Totodată, construcția modulară, permite identificarea și remedierea rapidă a unității defecte, implicând înlocuirea acesteia cu o piesă sau nod nou. Piesa înlocuită urmând a fi trimisă într-un atelier de diagnoză, unde se va decide repararea sau înlocuirea definitivă, astfel perturbând foarte puțin activitatea de bază a vehiculului în misiune. De asemenea, se poate evidenția și faptul că construcția modulară permite fabricarea, în prealabil, a mai multor unități de transport, care pot fi stocate compact și asamblate rapid – atunci când impune situația. Un mare avantaj al modularității construcției îl constituie interschimbabilitatea1. Al doilea principiu – mentenanța redusă sau inexistentă, este impusă, indirect, de trăsăturile specifice ale multor elemente modulare, fabricate de furnizorii de echipament montat pe vehicul sau din care acesta este costruit. În cele mai dese cazuri, principiului mentenanței inexistente se supun piesele și modulele electronice de calcul, comunicație și driverele de putere, cum ar fi modulele MOS-FET, utilizate în acționarea motoarelor electrice. Cele evidențiate anterior sunt, practic, imposibil de reparat, iar, uneori, cheltuielile pentru înlocuirea piesei sau modulului defect cu unul nou, identic, este mai redus decât dacă aceasta ar implica retragerea într-un atelier pentru identificarea defecțiunii și, apoi, remedierea acesteiea. Timpul și efortul economic ar putea fi dublu sau chiar triplu, în unele cazuri. Deci, acest aspect are, de asemeni, o importanță considerabilă în lucrarea de față. 1

Interschimbabilitate - proprietate a unor organe de mașini, piese etc. de a putea fi înlocuite cu altele similare; interșanjabilitate. (după fr. interchangeabilité)[8]

6

CAPITOLUL 3. SISTEMUL DE PROPULSIE Sistemele de propulsie reprezintă "inima" vehiculelor electrice.[9] Acesta este compus din unitățile de control al propulsiei, convertorul electronic de putere și motorul electric. Sarcina converisiei energiei electrice în energie mecanică, care este distribuită, apoi, prin intermediul transmisiei mecanice, la roțile vehiculului, revine motorului electric. Procesul poate fi de sens opus – atunci când vehiculul se deplasează într-o pantă sau din inerție, energie cinetică devine superioară energiei electrice livrate motorului, de către convertor, astfel realizându-se frânarea recuperativă. În cazul lucrării de față, frânarea recuperativă nu va fi implementată din motivul inerției foarte mici a vehiculului datorată gabaritelor și masei reduse ale acestuia. Energia generată în timpul frânării electrice are o valoare nesemnificativă și este disipată în formă de căldură, prin efect Joule, pe înfășurarea rotorică a motoarelor de propulsie. Comutația în regim de frânare se realizează implicit de convertorul electronic de putere, care are montate diode antiparalel cu sursa și drena fiecărui tranzistor MOS-FET din toate cele 4 cadrane. Convertorul electronic de putere este utilizat pentru a alimenta cu tensiune și implicit curent, motorul electric de propulsie. Acesta este comandat în tehnologie de modulație a lățimii de impuls – PWM1.

Fig. 3 Semnal PWM N. Badea – Modelarea şi Simularea Sistemelor Electromecanice - Editura Fundaţiei Universitare „Dunărea de Jos” din Galați, 2018, pag. 156; [30]

Unitatea de control realizează comanda convertorului, trimițând semnalele de comandă pentru ca motorul să dezvolte cuplul și turația impuse de regimul de deplasare. Unitatea de control poate fi descompusă, la rândul ei, în trei ansamble funcționale: senzori, circuite de interfață și procesorul central. Senzorii au rol de preluare a valorilor măsurabile de tensiune, curent, temperatură, viteză, cuplu și flux în semnale electrice pe care circuitele de interfață le pot transporta. Altfel spus, valorile sus-menționate ca valori măsurate, sunt transformate în valori de semnal de tensiune sau curent pe care circuitele de intefață le pot accepta. Procesorul, realizând în timp real comanda, prezintă, la ieșire, o serie de semnale, de obicei digitale, care, la rândul lor, sunt amplificate prin circuite destinate acestui scop, pentru ca acestea să fie în acord cu cerințele circuitelor de comandă ale convertorului de putere.[9]

1PWM

– pulse width modulation, eng. Modulaţie a Lăţimii de Impuls

7

3.1. Tipul de motoare utilizate Principiul de bază de care depinde funcționarea motorului de curent continuu este faptul că un conductor parcurs de un curent electric, plasat într-un câmp magnetic, va crea o forță mecanică experimentată de acel conductor, care, la rândul său, v-a provoca deplasarea primului la o anumită distanță față de incinta câmpului. Absolut toate tipurile de motoare electrice funcționează numai pe baza acestui principiu. De aceea, pentru construcția motoarelor de curent continuu, câmpul magnetic este o componentă indispensabilă. Câmpul magnetic este, evident, stabilit prin intermediul unor magneți. Magneții pot fi de orice tip, și anume: electromagneți – compuși dintr-o bobină parcursă de curent continuu, sau magneți permanenți. Atunci când un motor este construit pe baza unor magneți permanenți, acesta este denumit un aparat sincron de curent continuu cu auto-sincronizare sau, mai simplu, motor de curent continuu cu magneți permanenți. În esenţă, aceste tipuri de motoare sunt simple în construcţie, acționare și exploatare, problema principală fiind mentenanța periodică a periilor colectoare.

Fig. 4 Construcția motorului de curent continuu cu magneți permanenți

Motorul prezentat în Fig. 4, constă din: - o pereche de magneţi permanenţi, pe carcasa motorului (stator bipolar); - un rotor cu trei dinți și, prin urmare, cu trei înfășurări (înfășurările rotorului cu acest design pot fi conectate în stea (într-o mașină cu o putere mică, condițiile de comutare permit o astfel de conexiune) sau în triunghi; - unitatea de colectare, formată din colector cu trei plăci (lamele) – solidar cu rotorul, și două perii colectoare, montate pe capacul motorului. Statorul – este compus din doi magneți permanenți dispuși la 1800. Materialul din care sunt, de obicei, fabricaţi magneţii permanenţi, anume pentru acest motor, este ferita. Rotorul - numărul minim de dinți ai rotorului, în care pornirea automată este posibilă din orice poziție a rotorului - trei. Dintre cei trei poli aparenţi, în realitate, un pol este întotdeauna în zona de comutație (nu este alimentat), adică rotorul are cel puțin o pereche de poli (cum ar fi statorul, deoarece altfel motorul nu poate funcționa). Rotorul oricărui motor de cc este alcătuit din mai multe bobine, dintre care unele sunt alimentate, în funcție de unghiul de rotație al rotorului, față de stator. Utilizarea unui număr mare (câteva zeci) de bobine este necesară pentru a reduce inegalitatea cuplului, pentru a reduce valoarea curentului la comutaţia bibinei și pentru a asigura o interacțiune optimă între câmpurile magnetice ale rotorului și statorului (adică pentru a crea cuplul maxim pe rotor). 8

Colectorul – (unitatea colectoare) efectuează simultan două funcții: este un senzor de poziție a rotorului și un comutator de curent cu contacte glisante. Se cunosc multe varietăţi de formă a sistemului colector. Capetele bobinelor sunt conectate la lamelele colectoare. Ansamblul colector este de obicei un inel de plăci de contact izolate (lamele), amplasate paralel (de-a lungul axei) rotorului. Există și alte modele ale colectorului, cum ar fi colectoarele cu lamele radiale. Ansamblul perie-colector este necesar pentru alimentarea cu energie electrică a bobinelor de pe rotor și pentru a realiza comutarea. Fiecare perie este un contact fix alunecător (periile se fabrică, de obicei, din grafit sau cupru-grafit). Periile colectoare deschid și închid contactele lamelelor colectoare cu o cu frecvență mare. Ca o consecință, în timpul funcționării, în bobinele rotorice apar fenomene tranzitorii. Aceste procese duc la scânteierea colectorului, ceea ce reduce semnificativ fiabilitatea motorului. Pentru a reduce scânteierea din timpul comutației sunt întreprinse diverse măsuri, printre care, cea mai semnificativă, fiind introducerea, în construcția motorului, a polilor de comutație. Parcurgerea unor curenții mari, prin înfășurarea rotorică, provoacă apariția unor fenomene tranzitorii agresive, declanșând o acoperire, pe toată lungimea cercului colectorului, a scânteilor de comutație – numite cerc de foc. Acest fenomen apare pe toate plăcile colectoare, indiferent de poziția periilor. Cercul de foc este periculos prin faptul că se uzează prematur lamelele colectoare și durata de viață a rotorului se reduce drastic. Din punct de vedere vizual, scânteierile apar ca un inel luminos în jurul colectorului. Acest proces este inadmisibil pentru o exploatare îndelungată. La proiectarea motorului se stabilesc cuplul maxim admisibil (și, prin urmare, curentul maxim) dezvoltat de motor, pentru a diminua probabilitatea apariției fenomenului descris în acest paragraf.. Proprietatea de autoreglare. Toate motoarele de curent continuu crează automat un cuplu egal cu cuplul rezistent la arbore, intrând în regim staționar de funcționare. Să presupunem că cuplul rezistent Mr a crescut și a devenit mai mare decât cuplul dezvoltat în regim staționar Md. 𝑑Ω

(1)

𝑀𝑑 − 𝑀𝑟 = 𝐽 𝑑𝑡 Conform ecuației (1) apare o deceleraţie

𝑑Ω 𝑑𝑡

< 0 şi turația rotorică 𝑛 =

60Ω 2𝜋

începe să

se reducă. Împreună cu reducerea turației scade și forța contra-electromotoare: 𝐸 = 𝐾𝑒 𝑛Ф

(2)

unde:

Ke – constanta electrică a motorului; Ф – fluxul magnetic (Wb); n – turaţia (rot/min). Curentul rotoric: 𝐼=

𝑈−𝐸 𝑅𝑎

(3)

unde:

U – tensiunea aplicată la bornele motorului (V); Ra – rezistența înfășurării rotorice (Ohm); și cuplul mașinii: Md = KmФI

(4)

Unde: Km – constanta mecanică a motorului; 𝑑Ω cresc. Când cuplul Md va fi egal cu cuplul rezistent crescut, 𝑑𝑡 devine egal cu 0 și turația se stabilizează într-un nou regim staționar n2 10𝑘Ω

(43)

a. Calculul bobinei Pentru început, se calculează constanta Volt*microsecunde E*T(V * µs): 𝑈𝑖𝑒ș𝑖𝑟𝑒 +𝑈𝐷

𝐸 ∗ 𝑇 = (𝑈𝑖𝑛 − 𝑈𝑖𝑒ș𝑖𝑟𝑒 − 𝑈𝑠𝑎𝑡 ) ∗ 𝑈

𝑖𝑛 −𝑈𝑠𝑎𝑡 +𝑈𝐷

∗

1000 𝑓𝑐

(44)

unde:

Uin – tensiunea continua de intrare, în (V); Uieșire – tensiunea continua la ieșire, în (V); Usat – tensiunea de saturație a tranzistorului MOS-FET, Usat = 1,16(V); UD – cădere de tensiune a diodei Schottky, Ud = 0,5(V); fc – frecvența de comutație, fc = 180(kHz); valoarea constantei E * T va fi: 𝐸 ∗ 𝑇 = (18 − 13 − 1,16) ∗

13 + 0,5 1000 ∗ = 18 − 1,16 + 0,5 180

3,84 ∗ 0,77 ∗ 5,56 = 16,43(V*µs) Se determină inductanța necesară a bobinei prin utilizarea nomogramei din Fig 13.

Fig. 13 Nomograma E*T = f(IS)

Se alege indicele de selectare a bobinei, la intersecția dintre coeficientul E*T pe vertical și curentul maxim pe sarcină, în cazul dat indicele bobinei va fi: L46. Tabelul 2 include informații despre inductanța și curentul nominal al bobinei necesare. Astfel, este nevoie, conform nomogramei din Fig.13, o bobină cu L=15(µH) și un curent maxim suportat InB=5,6(A).

25

Tabelul 3 Alegerea inductanței și curentului nominal al bobinei L

Indice Inductanță (µH) Curent (A)

23

24

25

29

30

31

32

33

34

38

39

40

41

44

45

46

47

48

49

33

22

15

100

68

47

33

22

15

68

47

33

22

68

10

15

10

47

33

1,35

1,65

2

1,41

1,71

2,06

2,46

3,02

3,65

2,97

3,57

4,26

5,22

3,45

4,47

5,6

5,66

5,61

5,61

Obținând inductanța nominală a bobinei, se alege condensatorul de ieșire, care trebuie să aibă o tensiune mai mare decât tensiunea necesară pe sarcină, din Tabelul 3. Tabelul 4 Alegerea condensatorului la ieșirea convertorului

Inductanță (µH) 10 15 22 33 47 68 100

Sanyo OS-CON buc. Indice 2 C7 1 C8 1 C7 1 C7 1 C7 1 C6 1 C6

Sanyo MV-GX buc. Indice 1 C10 1 C6 1 C5 1 C4 1 C3 1 C2 1 C2

Nichicon PL buc. Indice 1 C14 1 C17 1 C13 1 C12 1 C11 1 C10 1 C9

Panasonic HFQ buc. Indice 2 C4 1 C5 1 C5 1 C4 1 C3 1 C3 1 C1

Tabelul 3 indică faptul că pot fi selectați condensatori de la diferiți producători, conform indicilor C8 (Sanyo OS-CON); C6 (Sanyo MV-GX); C17 (Nichichon PL); C5 (Panasonic HFQ). În Tabelul 4 sunt indicate valorile nominale ale capacității condensatorilor de ieșire necesari, conform idicilor din paragraful de mai sus. Tabelul 5 Valori nominale ale condensatorilor Indice condensat. C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18 C19 C20

Sanyo OS-CON C (µF) IRMS (A) 47 1 150 1,95 330 2,45 100 1,87 220 2,36 33 0,96 100 1,92 150 2,28 100 2,25 47 2,09 -

Sanyo MV-GX C (µF) IRMS (A) 1000 0,8 270 0,6 470 0,75 560 0,95 820 1,25 1000 1,3 150 0,65 470 1,3 680 1,4 1000 1,7 220 0,76 470 1,2 680 1,5 1000 1,75 -

26

Nichicon PL C (µF) IRMS (A) 680 0,8 820 0,98 1000 1,06 1200 1,28 2200 1,71 3300 2,18 3900 2,36 6800 2,68 180 0,41 270 0,55 470 0,77 680 1,02 820 1,22 1800 1,88 220 0,63 220 0,79 560 1,43 2200 2,68 150 0,82 220 1,04

Panasonic HFQ C (µF) IRMS (A) 82 0,4 120 0,44 220 0,76 330 1,01 560 1,4 820 1,62 1000 1,73 2200 2,8 56 0,36 100 0,5 220 0,92 470 1,44 560 1,68 1200 2,22 330 1,42 1500 2,51

Conform Tabelului 4 există posibilitatea alegerii următorilor condensatori:  C8 (Sanyo OS-CON) – C = 150(µF), IRMS = 2,28(A);  C6 (Sanyo MV-GX) – C = 1000(µF), IRMS = 1,3(A);  C17 (Nichichon PL) – C = 560(µF), IRMS = 1,43(A);  C5 (Panasonic HFQ) – C = 560(µF), IRMS = 1,4(A); Din motiv că nu se urmărește minimizarea sistemului, carcasa având loc necesar montării echipamentului, se va alege condensatorul cu capacitatea cea mai mare și curentul cel mai mic, pentru a reduce solicitările de natură termică, care va avea o tensiune nominală mai mare de 13(V), deci se va utiliza un condensator de ieșire cu următorii parametri nominali:  C = 1000(µF);  IRMS = 1,3(A);  Un = 16(V). Notă: Tensiunea nominală a condensatorului trebuie să fie de cel puțin 1,5 ori mai mare decât tensiunea de ieșire a convertorului și, adesea, tensiunea nominală trebuie să fie cu mult mai mare decât tensiunea de ieșire a convertorului, datorită supratensiunilor ce apar ca o consecință a rezistenței echivalente serie foarte mici a condensatorului, la frecvențe mari de comutație. b. alegerea condensatorului de intrare Curenții, în schimbare rapidă, din sursele de alimentare în comutație de curenți mari introduc o încărcare dinamică semnificativă asupra dispozitivelor de alimentare cu curent continuu nestabilizate. Un condensator de intrare ajută la asigurarea unui curent suplimentar la sursa de alimentare în comutație, precum și la o netezire eficientă a curentului, datorat variațiilor de tensiune la intrare. La fel a și condensatorul de ieșire, specificațiile importante pentru condensatorul de intrare sunt curentul efectiv și tensiunea nominală. Curentul efectiv al condesatorului de intrare este considerat, aproximativ, 0,5 curentul de sarcină maxim, la ieșirea convertorului. Conectând mai mulți condensatori în paralel, se obține, o însumare a capacității fiecăruia, rezultând valoarea necesară. Tensiunea nominală, se alege, de asemenea, de 1,3 ori mai mare decât tensiunea maximă de intrare. În condiții de încărcare ușoară a convertorului, tensiunea maximă de intrare, de la sursa neregulată, poate fi semnificativ mai mare, decât la încărcare nominală. Acest aspect trebuie, de asemenea, tratat cu atenție și luat în calcul la alegerea condensatorului de intrare. Condensatorul de intrare trebuie plasat foarte aproape de pinul de intrare al convertorului. Datorită funcționării cu curenți relativ mari și fenomene tranzitorii rapide, inductanța în serie a firelor sau căilor de pe cablajul imprimat poate avea, ca rezultat, inducerea unor zgomote semnificative la bornele de intrare care se pot propaga, mai apoi, atât în circuitele alimentate la ieșire, perturbând funcționarea acestora, cât și în sistemul de alimentare nestabilizat. Deci, curentul efectiv, prin condensatorul de intrare, se va calcula, utilizând formula (45): 27

1

1

2

2

𝐼𝑛(𝐶𝑖𝑛) ≥ ∗ 𝐼𝑆 ≥ ∗ 5,5 ≥ 2,75(A)

(45)

Iar tensiunea nominală a condensatorului de intrare se calculează cu formula (46): 𝑈𝑛(𝐶𝑖𝑛) ≥ 1,3 ∗ 𝑈𝑖𝑛 ≥ 1,3 ∗ 17 ≥ 22,1(V)

(46)

deci, se poate utiliza un condensator cu tensiunea nominală de 25(V), dar, din considerente de siguranță și fiabilitate, se va utiliza un condensator de aceeași capacitate, dar cu o tensiune nominală de 35(V). Se alege, din Tabelul 3, un condensator cu următoarele date tehnice: Un = 35(V); In(Cin) = 2,8(A); CCin = 2200(µF); producător: Panasonic HFQ. c. alegerea diodei Când comutatorul de de putere (tranzistorul MOS-FET) integrat în XLSemi4016E1 este în stare deschisă, curentul continuă să curgă prin bobină. Calea, acestui curent este prin dioda conectată antiparalel între ieșirea comutatorului și calea (-).

Fig. 14 Curentul prin diodă

Această diodă, polarizată direct, va avea o tensiune, la ieșirea comutatorului de putere, mai mică decât calea (-). Dioda, polarizată direct scirtcircuiteză invers ieșirea tranzitorului de putere la calea (-), deoarece tensiunea inversă devine negativă. Această tensiune trebuie să fie mai mica de -1(V), deci este recomandat alegerea unei diode cu o tensiune de saturație sub 1(V). De obicei diodele Schottky sunt recomandate, deoarece tensiunea de saturație a acestora este sub 0,6(V). Eficiența rezultantă a sursei de alimentare în comutație este influiențată semnificativ de pierderile din dioda de ieșire. Astfel, curentul mediu prin dioda de ieșire este direct proportional cu factorul de umplere (D) și are o valoare egală cu produsul dintre curentul de sarcină (IS) și (1-D): ID = Is * (1-D)

(47)

Utilizarea unei diode cu un curent nominal net mare curentului maxim prin sarcină ajută la minimizarea căderii de tensiune pe diodă și a pierderilor prin aceasta. În timpul stării ON a tranzitorului de putere integrat, dioda este polarizată invers și nu conduce. Astfel, dioda selectată, trebuie să respecte cerința tensiunii inverse minime de: Uinvers D = 1,3 * Uin

(48)

rezultă că aste nevoie de o diodă cu o tensiune mai mare de 22,1(V), la fel ca și în cazul condensatorului de intrare. 28

Astfel, pentru alegerea diodei de ieșire se va utiliza Tabelul 6. Tabelul 6 Modele diode Schottky

1N5821

31DQ03

1N5822

MBR340

31DQ04

SR403

-

MBR350

31DQ05

SR305

≥5

-

1N5825

MBR745

80SQ04 5

6TQ045

-

-

-

-

ID, (A)

3

MBRD8 35L

≥50

SR302

40

-

30

1N5820

20

-

Ui (V)

Dioda Schottky selectată va avea următorii parametri funcționali: Uinvers D ≥ 22,1(V); ID ≥ 5,5 (A); Acestor cerințe corespunde dioda Schottky model MBR745, cu următoarele date tehnice: Uinvers D = 45(V); ID = 7,5(A); Toperare = -65 .. +175(OC); UD ≤ 0,57(V). Se poate calcula, de asemenea, puterea disipată, datorită căderii de tensiune pe diodă: PD = UD * IS = 0,57(V) * 5,5(A) = 3,14(W) (49) 5.1.5. Alegerea sistemului de limitare a curentului de încărcare Deși integrata XLSemi4016E1 include un sistem de limitare a curentului, acesta funcționează în regim de putere constantă și nu de curent constant. Acest aspect poate influiența negativ durata de viață a bateriei de acumulatori supuse încărcării, din motiv că nu se va asigura reglajul corespunzător al curentului în primul interval de încărcare, din motiv că fiecare celulă va tinde să absoarbă un curent mare pentru a suplini rapid golul de sarcină din interior. Absorbția unui curent prea mare va implica o solicitare termică nedorită, care, la rândul său, va influiența negative durata de viață a celulelor din componența bateriei vehiculului. Deoarece, calculul limitatorului de curent implică o listă vastă de aspecte și nuanțe de tratat, s-a decis descrierea funcționării acestui dispozitiv, fără a reprezenta calculele impuse sistemului, deoarece acest sistem este o temă de discuție pentru o lucrare aparte. Unicul aspect important, care trebuie enumerat este că acest sistem permite limitarea curentului de ieșire al dispozitivului de încărcare în limitele 0,02 .. 6(A), implică un potențiometru de reglare brută și fină a valorilor curentului de ieșire și un ampermetru pentru citirea valorilor. Schema funcțională a limitatorului de curent la încărcare este reprezentată în Fig. 15.

29

Fig. 15 Schema funcțională a limitatorului de curent

5.2. Sistemul de monitorizare a bateriilor de acumulatori Un sistem de gestionare a bateriilor (BMS) este orice sistem electronic care gestionează o baterie reîncărcabilă (baterie sau acumulator), cum ar fi protejarea bateriei de funcționare în afara zonei de operare sigure, monitorizarea stării sale, calcularea datelor secundare, raportarea acestora, controlul mediului său, autentificarea acestuia și / sau echilibrarea acestuia. Un acumulator construit împreună cu un sistem de gestionare a bateriei, cu o magistrală externă de comunicații de date, este un pachet de acumulatori intelligent. Funcțiile sistemului de gestionare a bateriilor de acumulatori sunt: a. Monitorizare Un BMS poate monitoriza starea bateriei așa dpdv al mai multor aspecte, cum ar fi:  Tensiune: tensiunea totală, tensiunile celulelor individuale, tensiunea minimă și maximă a celulei sau/și tensiunea celulelor înseriate;  Temperatura: temperatura medie, temperatura de admisie a lichidului de răcire, temperatura de ieșire a lichidului de răcire și/sau temperaturile celulelor individuale;  Starea de încărcare (SOC)1 sau adâncimea descărcării (DOD)2, pentru a indica nivelul de încărcare al bateriei;  Starea de sănătate (SOH)3, o valoare diferită a capacității remanente a bateriei ca % din capacitatea inițială;  Starea de putere (SOP)4, cantitatea de energie disponibilă pentru un interval de timp definit, având în vedere utilizarea curentă a curentului, temperatura și alte condiții;  Starea de siguranță (SOS)5, evaluează starea de siguranță în dependență de mai mulți factori, cum ar fi temperature, capacitate;  Fluxul lichidului de răcire: pentru bateriile răcite cu aer sau lichid;  Curent: curent de încărcare sau de descărcare a bateriei. 1SOC

– eng. State Of Charge – starea de încărcare. – eng. Depth Of Discharge – adâncimea descărcării. 3SOH – eng. State Of Health – Starea de sănătate. 4SOP – eng. State Of Power – Starea de puterea. 5SOS – eng. State Of Safety – Starea de siguranță. 2DOD

30

b. Sisteme pentru vehicule electrice: Frânare recuperativă BMS va controla, de asemenea, reîncărcarea bateriei prin redirecționarea energiei recuperate (adică - de la frânarea regenerativă) înapoi în acumulator (în mod tipic compus din câteva baterii, fiecare compus din câteva celule). c. Evaluare În plus, un BMS poate calcula valori pe baza aspectelor de mai sus, cum ar fi:  Curentul de încărcare maximă ca limită de curent de încărcare (CCL)1;  Curentul maxim de descărcare ca limită de curent de descărcare (DCL)2;  Energie (kWh) livrată de la ultimul ciclu de încărcare sau încărcare;  Impedanța internă a unei celule (pentru a determina tensiunea circuitului deschis);  Încărcați (Ah) livrat sau stocat (uneori această caracteristică se numește contorul Coulomb);  Energia totală livrată de la prima utilizare;  Timp total de funcționare de la prima utilizare;  Numărul total de cicluri; d. Protecție Un BMS își poate proteja bateria împiedicând operarea în afara zonei sale de operare sigure, cum ar fi:  Supracurenți (atât la încărcare, cât și la descărcare);  Supratensiuni (la încărcare);  Tensiuni sub minimumul recomandat de producător (la descărcare) – aspect foarte important la baterii Pb-acid și Litiu-ion;  Șocuri termice;  Presiunea mediului unde este montată bateria (celule Ni-MH);  Detectarea curentului de scurgere (sistemul ce monitorizează faptul că bateria de înaltă tensiune este deconectată electric de orice obiect conductiv care poate fi atins de utilizator, cum ar fi corpul vehiculului) BMS poate împiedica funcționarea în afara zonei de operare în siguranță a bateriei prin:  Includerea unui comutator intern (cum ar fi un releu sau un dispozitiv electronic de putere) care se deschide dacă bateria este utilizată în afara zonei sale de operare sigure;  Solicitarea dispozitivelor la care este conectată bateria de a reduce sau chiar încetarea utilizării bateriei;  Controlul activ al mediului, cum ar fi prin încălzitoare, ventilatoare, aer condiționat sau răcirea lichidelor;

1CCL 2DCL

– eng. Charging Current Limit. – eng. Discharge Current Limit.

31

e. Interconexiune între baterie și sarcină Un sistem BMS poate, de asemenea, să conțină un sistem de preîncărcare care să permită un mod sigur de conectare a bateriei la diferite sarcini și eliminarea absorbirii curenților excesivi la încărcarea condensatoarelor. Conectarea la sarcini este, în mod normal, controlată prin intermediul releelor electromagnetice numite contactori. Circuitul de preîncărcare poate fi alcătuit din rezistoare de putere conectate în serie cu sarcinile. Alternativ, o sursă de alimentare în comutație, conectată în paralel cu sarcinile, poate fi utilizată pentru a ridica treptat tensiunea circuitului de sarcină până la un nivel apropiat de tensiunea bateriei pentru a permite închiderea contactorilor între circuitul bateriei și circuitul de sarcină. Un BMS poate avea un circuit care poate verifica dacă un releu este deja închis înainte de preîncărcare (de exemplu prin sudură) pentru a preveni apariția curenților de aprindere. f. Optimizare Pentru a maximiza capacitatea bateriei și pentru a preveni supradescărcarea sau supraîncărcarea localizată, BMS-ul poate asigura, în mod active, ca toate celulele care alcătuiesc bateria sunt păstrate la aceeași tensiune sau stare de încărcare, prin echilibrare. BMS poate echilibra celulele prin:  Pierderea energiei din cele mai încărcate celule prin conectarea acestora la o sarcină (cum ar fi prin intermediul regulatoarelor pasive);  Încărcarea celulelor mai puțin încărcate de la cele mai mult încărcate (echilibrare);  Reducerea curentului de încărcare la un nivel suficient de scăzut, care nu va deteriora celulele încărcate complet, în timp ce celulele mai puțin încărcate pot continua să se încarce (nu se aplică celulelor chimice din litiu);  Încărcare modulară. Topologii ale sistemului de monitorizare a bateriei de acumulatori:  Centralizată: un singur controler este conectat la celulele bateriei printr-o multitudine de fire;  Distribuită: o placă BMS este instalată, individual, pe fiecare celulă, cu un singur cablu de comunicație între baterie și un controler;  Modulară: câțiva controleri, fiecare monitorizând un anumit număr de celule, comunicând între celelalte controlere; Sistemele de monitorizare centralizate sunt cele mai economice, mai puțin extensibile dar sunt afectate de o multitudine de fire. BMS-urile distribuite sunt cele mai scumpe, dar oferă cea mai simplă montare. BMS-urile modulare oferă un compromis al caracteristicilor și al problemelor celorlalte două topologii. Cerințele pentru un BMS în aplicații mobile (cum ar fi vehiculele electrice) și aplicațiile staționare (cum ar fi UPS-urile de rezervă într-o cameră server) sunt destul 32

de diferite, în special din cerințele privind spațiul și greutatea, astfel încât implementările hardware și software trebuie adaptate la utilizarea specifică. În cazul vehiculelor electrice sau hibride, BMS este doar un subsistem și nu poate funcționa ca un dispozitiv autonom. Trebuie să comunice cu cel puțin un încărcător (sau o infrastructură de încărcare), un subsistem de încărcare, gestionare termică și oprire de urgență. Prin urmare, într-un design bun al vehiculului, BMS este integrat cu celelalte subsisteme. Unele aplicații mobile mici (cum ar fi cărucioare pentru echipamente medicale, scaune electrice cu rotile, scutere și stivuitoare electrice) au deseori echipamente externe de încărcare, totuși BMS de la bord trebuie să aibă, încă, o integrare strânsă în design cu încărcătorul extern. Pentru echilibrarea celulelor, teoria stării de încărcare este baza acestor sisteme. Totuși, proiectarea unui sistem de monitorizare a bateriei de acumulatori nu este rațională din considerente economice și limita de timp. S-a constatat, sintetic, că proiectarea de la zero a unui sistem BMS va costa de 10 ori mai mult decât procurarea unui dispozitiv din piață. Astfel sistemul selectat este un modul BMS integrad, model BMS-3S-8254AA cu următoarele specificații tehnice:  protecție integrată la supracurenți, în trei trepte: supracurenți-1, supracurenți-2 și scurtcircuitul sarcinii;  tranzistor MOS în calitate de deispozitiv de comutare, cu RDSon ≤ 60(mA);  consum redus de curent în regim de așteptare, ≤6(µA);  tensiune maximă de deconectare a celulei: 4,25 .. 4,35 (V) ±0,05(V);  tensiune minimă de deconectare a celulei: 2,3 .. 3(V) ±0,05(V);  curent de funcționare în regim permanent: 8(A);  curent de șoc: ≤10(A);  temperatura de utilizare: -40 .. 80 (OC);

Fig. 16 Sistem BMS pentru trei celule li-ion[25]

Notă: Schema electrică finală de interconecatre a bateriei de acumulatori și sistemului de monitorizare este indicată în Anexa 5.

33

CAPITOLUL 6. SISTEMUL DE RECEPȚIE AL VEHICULULUI Sistemul de recepție al vehiculului este compus dintr-o pereche modul radio și microcontroler, care asigură conexiunea cu telecomanda. Perechea receptor are rolul principal de recepționare date de la telecomandă, prelucrarea acestora și modificarea ieșirilor digitale sau analogice. Modul de recepționare și transport de date prin tehnologie fără fir constituie o temă aparte și nu este tratată în lucrarea de față. Prelucrarea datelor constituie un proces complex de adaptare a acestora, prin intermediul codului încărcat în controler. Perechea receptoare prelucrează două tipuri de date: principale (sau efective, de lucru) și cele secundare (de conexiune). Datele principale constituie mărimi ale valorilor recepționate, care trebuiesc prelucrate pentru a fi transmise, ulterior, modulului de putere al motoarelor, sau poziției servomotoarelor. Datele secundare nu sunt percepute de către operator. Acestea au un caracter de fundal și sunt prelucrate de către microcontroler în timpul sesiunilor de recepție. Datele de conexiune sunt necesare din două motive: primul motiv este faptul că, prin intermediul acestora, perechea receptor trimite spre perechea emițător un pachet de date prin care confirmă stabilirea conexiunii radio (asemeni unei linii telefonice unifilare, care confirmă stabilirea conexiunii prin tonul specific, atunci când se ridică receptorul); al doilea motiv al necesității datelor de fundal este că atunci când se recepționează un pachet de date de lucru, se emite un pachet de date de confirmare a finalizării recepționării datelor. Acest ultim motiv ajută la recepționarea întregului pachet de date de lucuru, fără pierderi în timpul sesiunii de emisie-recepție. 6.1. Echipamente utilizate. Specificații tehnice 6.1.1. Arduino Pro Mini Microcontrolerul Atmel Atmega328p este „creierul” vehiculului de cercetare – subiect al aceastei lucrări. Acesta realizează toate calculele, dirijează și regelmentează funcționarea tuturor sistemelor de pe vehicul, cu excepția modulului de monitorizare al bateriilor de acumulatori (BMS), care este autonom. Microcontrolerul este integrat într-o placă de dezvoltare, cunoscută sub numele comercial de Ardiono Pro Mini. Faptul important de menționat este că anume microcontrolerul ATmega 328p Fig. 17 Arduino Pro Mini [24] este baza mai multor plăci de dezvoltare, printre care cele mai importante: Arduino Uno, Arduino Micro, Arduino Nano și clonele mai sau mai puțin bune ale acestora. Ideea de bază este că toate aceste plăci au aceeași putere de procesare, același număr de pini și aceleași valori de lucru ale tensiunii și curentului. Unica diferență între aceste plăci este doar dimensiunea.

34

Cea mai mică suprafață este ocupată de Arduino Pro Mini, motiv care decis alegerea anume a acestui model de microcontroler ca bază a lucrării de licență. Acesta are următoarele date tehnice:  Tensiune de alimentare: 5 .. 12(V);  Tensiune de lucru al circuitului: 5(V);  Pini de intrare/ieșire digitali: 14;  Pini de intrare analogici: 7;  Pini PWM: 6;  Comunicație UART: 1;  Comunicație SPI: 1; 2  Comunicație I C: 1;  Curent maxim per pin: 40(mA);  Memorie FLASH: 32(KB);  Memorie SRAM: 2(KB);  Memorie EEPROM: 1(KB);  Frecvența de operare: 16(MHz);  Temperatura de utilizare: -40 .. 125(oC) – Industrială;  Dimensiuni (L x l x Î): 30 x 18 x 3,5(mm); Aceste specificații tehnice, în special temperatura de operare industrială și dimensiunile reduse, fac această placă o alegere rezonabilă pentru aplicația „Vehicul de cercetare și Explorare”. De evidențiat și apreciat este faptul că microcontrolerul dat poate fi programat în câteva moduri. Unele mai complicate, altele mai puțin. Una dintre cele mai facile și flexibile metode de programare este mediul Arduino, dezvoltat de compania cu același nume, cu sediul în Italia. Placa de dezvoltare Arduino este cea mai populară platformă de programare datorită documentației ample și foarte bine dezvoltate de către comunitatea on-line gigantică, adeptă Arduino. 6.1.2. Modulul radio Nrf24L01

Fig. 18 Modul Nrf24L01

Nrf24L01 este un modul transceiver1, care funcționează la frecvența de 2,4GHz, cu un protocol în bandă încorporat (Enhanced ShockBurstTM) potrivit pentru aplicații fără fir (vehicule cu comandă fără fir, transmisii de date, conexiuni de comunicație) cu consum scăzut de energie. Cipul este conceput pentru a funcționa în banda de frecvență ISM2 la nivel mondial, de la 2.400 la 2.4835 GHz cu un pas de 2MHz per canal.

1Transceiver

– eng. dispozitiv electronic destinat transmiterii de date fără conexiune fizică, care poate funcționa atât în regim de receptor, cât și emițător. 2ISM – eng. Industrial, Scientific and Medical – spectru de frecvenţă cuprinsă între 2-4GHz, autorizată de către Autoritatea Națională pentru Administrare și Reglementare în Comunicații, pentru proiecte și aplicații industriale, științifice și medicale.

35

La momentul actual există două versiuni ale modulului: prima versiune - basic Nrf24L01+ (Fig. 18) și a doua versiune – Long Range Nrf24L01+PA+LNA. Modulul basic are posibilitatea de menținere a conexiunii la o distanță de până la 80(m) (din specificațiile tehnice disponibile), iar modulul Long Range poate menține conexiunea pe o distanță de 1000(m), însă numeroși creatori au declarat că au ajuns, în unele cazuri, la distanțe de 1200-1250(m) de conexiune sigură în câmp deschis, ceea ce face acest modul potrivit pentru aplicații asemenea vehiculul din lucrarea dată. Deoarece lucrarea este doar un prototip pentru teste și cercetare și nu o unitate funcțională finală, s-a recurs l-a modulul basic, iar vehiculul va fi mereu în câmpul vizual al operatorului. Acest modul are următoarele specificații tehnice:  Frecvență de emisie: 2,4(GHz);  Viteză de transfer date: 250(KBPS), 1(MBPS), 2(MBPS);  Curent maxim: 13,5(mA);  Curent în regim de așteptare: 26(µA);  Regulator de tensiune integrat;  Tensiune de alimentare: 1,9 .. 3,6 (V);  Canale de comunicare concomitente: max. 6;  Pini de intrare toleranți la 5(V);  Temperatura de utilizare: -40 .. +85(OC);  Distanță de conexiune garantată: 80(m);  Canale selectabile: 125;  Interfață de comunicare: SPI; Deși tensiunea de alimentare a modulului este de 3,3V, pinii de comunicație SPI suportă 5V, deci este compatibil cu utilizarea microcontrolerelor care funcționează la această tensiune. Avantajul major al acestor module este faptul că modernizarea sistemului de la modulul cu rază de 80(m) la modul cu rază de acțiune de 1000(m) constă în simpla înlocuire a modulului. Acest aspect este datorat faptului, că, deși construcția modulului de rază mare este mai complexă, cupla de conexiune a fost păstrată, astfel asigurându-se interschimbabilitatea celor două module. Un aspect important al interchimbabilității este și faptul că modulele funcționează, la bază, pe același principiu și același program software, deci este eliminat și aspectul reprogramării sistemului pentru adaptarea la modernizări. Totodată, parametrii de operare ai modulului pot fi configurați prin intermediul unui microcontroler. Aici se pot enumera frecvența canalului de conexiune, puterea de emisie și viteza de transport a datelor. Viteza, ce poate fi configurată, și două moduri de regim de așteptate, cu economie de energie, fac modulul Nrf24L01 compatibil cu apicații de putere mică și ultra-mică. Pentru a proiecta un sistem de radio-comunicație cu Nrf24L01, e nevoie de un microcontroler, pentru a procesa datele primite sau emise de modul.

36

6.1.3. Senzorul de tensiune Senzorul de tensiune este un simplu divizor de tensiune, calculat anume pentru vehiculul proiectat în lucrarea dată. Divizorul de tensiune are intrare la un pin analogic al controlerului. Controlerul citește indicațiile valorii tensiunii la bornele bateriei de acumulatori prin intermediul unui convertor analogic – digital de 10 biți și le trimite centrului de comandă. În electronică, un divizor de tensiune (cunoscut și ca un divizor de potențial) este un circuit pasiv liniar care produce o tensiune de ieșire (Vout), care reprezintă o fracțiune din tensiunea de intrare (Vin). Divizarea Fig. 19 Schema divizorului tensiunii este rezultatul distribuirii tensiunii de intrare de tensiune[13] între componentele divizorului. Un exemplu simplu al unui divizor de tensiune este reprezentat de două rezistoare conectate în serie, cu tensiunea de intrare aplicată pe perechea de rezistori și tensiunea de ieșire care iese din conexiunea dintre ele. Senzorul de tensiune are schema electrică de conectare reprezentată în Fig. 18. Rezistența divizoarelor de tensiune este frecvent utilizată pentru a crea tensiuni de referință sau pentru a reduce magnitudinea unei tensiuni astfel încât să poată fi măsurată și poate fi, de asemenea, utilizat ca atenuator de semnal la frecvențe joase. Pentru curent continuu și frecvențe relativ scăzute, un divizor de tensiune poate fi suficient de precis dacă este realizat numai cu rezistențe; unde este necesar un răspuns de frecvență într-un interval larg (cum ar fi într-o sondă osciloscopică), un separator de tensiune poate avea elemente capacitive adăugate pentru a compensa capacitatea de încărcare. În rețelele de transport se folosesc divizoare de tensiune capacitive pentru măsurarea tensiunii înalte. Astfel, pentru a calcula divizorul de tensiune rezistiv, necesar pentru măsurarea tensiunii bateriei de acumulatori, de către microcontroler, trebuie de luat în calcul faptul că microcontrolerul poate suporta o tensiune de intrare, pe un pin analogic, de maxim 5(V), pe când tensiunea nominală a bateriei de acumulatori este de 11,1(V). Pentru calculul divizorului de tensiune s-a utilizat următorul algoritm: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑅

𝑅2

1 +𝑅2

∗ 𝑉𝑖𝑛

(50)

Datorită faptului că pe piață se găsesc astfel de divizoare ca și ansamblu finit, s-a recurs la procurarea unui senzor în detrimentrul proiectării unui astfel de dispozitiv. Acesta are parametrii de măsurare de maxim 25(V) curent continuu și o precizie de 0,00489(V), cu o gamă de detectare de 0,02445 .. 25(V).

37

6.1.4. Senzorul de distanță Traductoarele ultrasonice sau senzorii cu ultrasunete sunt un tip de senzor acustic împărțit în trei mari categorii: transmițătoare, receptoare și combinația celor două întrun dispozitiv. Transmițătorii convertesc semnalele electrice în ecografie, receptoarele transformă ultrasunetele în semnale electrice, iar dispozitivele hibride pot transmite și primi ultrasunete. În mod similar cu radarul și sonarul, traductoarele cu ultrasunete sunt utilizate în sistemele care evaluează țintele prin interpretarea semnalelor reflectate. De exemplu, distanța până la un obiect poate fi calculată prin măsurarea timpului dintre trimiterea unui semnal și primirea unui ecou. Senzorii pasivi cu ultrasunete sunt în principiu microfoane care detectează zgomotul ultrasonic care este prezent în anumite condiții. Sistemele utilizează în mod obișnuit un traductor care generează valori sonore în domeniul ultrasonic, peste 18 kHz, transformând energia electrică în sunet, apoi, după primirea ecoului, transformă undele sonore în energie electrică care poate fi măsurată și afișată. De asemenea, această tehnologie poate detecta obiectele apropiate și poate urmări pozițiile acestora. Ultrasunetele pot fi, de asemenea, utilizate pentru a efectua măsurători de la distanță punt la punct prin Fig. 20 Senzor ultrasonic transmiterea și primirea de spații separate de HC-SR04 ultrasunete între traductoare. Această tehnică este cunoscută sub denumirea de Sonomicrometrie unde timpul de tranzit al semnalului cu ultrasunete este măsurat electronic (adică digital) și convertit matematic la distanța dintre traductoare, presupunând că viteza medi a sunetului între traductoare este cunoscută. Această metodă poate fi foarte precisă în termeni de rezoluție temporală și spațială, deoarece măsurarea timpului de zbor poate fi obținută prin urmărirea aceleiași forme de undă incidente (primite) fie prin nivel de referință, fie prin trecere prin zero. Acest lucru permite ca rezoluția de măsurare să depășească cu mult lungimea de undă a frecvenței sonore generate de traductoare. Senzorii ultrasonici pot detecta mișcarea țintelor și măsoară distanța față de acestea în multe fabrici automate și instalații de procesare. Senzorii pot avea o ieșire digitală activată sau oprită pentru a detecta mișcarea obiectelor sau o ieșire analogică proporțională cu distanța. Sunt folosiți pe scară largă în automobile ca senzori de parcare pentru a ajuta șoferul să parcheze în marșarier în spațiile de parcare. Acestea sunt testate pentru o serie de alte utilizări ale automobilelor, inclusiv detectarea și asistența șoferilor în navigarea autonomă. Senzorii pasivi cu ultrasunete pot fi utilizați pentru a detecta scurgeri de gaze sau lichide de înaltă presiune sau alte condiții periculoase care generează ultrasunete. În aceste dispozitive, sunetul transductorului (microfonul) este transformat în domeniul auditiv uman. 38

Deoarece senzorii cu ultrasunete utilizează sunet în defavorul radiației luminoase pentru detectare, ei lucrează în aplicații în care senzorii fotoelectrici nu ar putea. Ultrasunetele sunt o soluție excelentă pentru detectarea clară a obiectului sau pentru măsurarea nivelului lichidului, aplicații în care senzorii fotoelectricii nu ar face față din cauza translucenței țintei. De asemenea, culoarea țintei sau reflexia nu afectează senzorii cu ultrasunete, care pot funcționa fiabil în medii cu strălucire ridicată. Pentru lucrarea dată s-a utilizat senzorul ultrasonic, accesibil pe piață, HC-SR04, cu următoarele specificații tehnice:  Tensiune de alimentare: 5(V);  Curent de operare: 15(mA);  Frecvență de operare: 40(kHz);  Unghi de dectare: 15O;  Distanța de detectare: 2 .. 450 (cm);  Precizie: ±3(mm);  Dimensiuni (L x l x Î): 45 x 20 x 15(mm); Senzorul cu ultrasunete HC-SR04 este utilizat, pe vehiculul de cercetare în calitate de sistem de siguranță contra lovirii de obstacolele prea înalte, care nu pot fi depășite, pentru detectarea obstacolelor pe direcția de deplasare a vehiculului, cât și măsurarea distanței până la obstacole. Acesta este folosit în tandem cu un servomotor cu encoder, pentru a identifica obstacolele pe o rază de 3(m) de la vehicul și un unghi de 600. Servomotorul crează o deplasare unghiulară, astfel realizând un fel de tip radar cu ultrasunete. Astfel, aceste două dispozitive ajută nu numai la identificarea distanței până la obstacol, dar și estimarea formei acestuia și a unghiului la care se află obstacolul, față de axa longitudinală a vehiculului. Imaginea din Fig. 21 demonstrează un exemplu de funcționare a dispozitivului radar montat pe vehicul.

Fig. 21 Forma sistemului radar afișată pe ecranul operatorului

39

6.1.5. Servomotorul Un servomotor este un actuator rotativ sau un dispozitiv de acționare liniară care permite un control precis al poziției, vitezei și accelerației unghiulare sau lineare. Constă dintr-un motor adecvat cuplat la un senzor pentru feedback-ul poziției. De asemenea, este nevoie de un controler relativ sofisticat, adesea un modul dedicat, proiectat special pentru utilizarea cu servomotoare. Servomotoarele nu sunt o clasă specifică a motorului, deși servomotorul este adesea folosit pentru a se referi la un motor adecvat pentru a fi utilizat într-un sistem de control cu buclă închisă. Sunt utilizate în aplicații precum robotică, mașini CNC sau fabricarea automată. Un servomotor este un servomecanism cu buclă închisă care utilizează feedback-ul poziției pentru a-și controla mișcarea și poziția finală. Intrarea la controlul său este un semnal (fie analogic sau digital) reprezentând poziția comandată pentru arborele de ieșire. Motorul este asociat cu un anumit tip de codificator pentru a furniza feedback-ul poziției și vitezei. În cel mai simplu caz, se măsoară numai poziția. Poziția măsurată a ieșirii este comparată cu poziția de comandă, intrarea externă către controler. Dacă poziția de ieșire diferă de cea necesară, se generează un semnal de eroare care face ca motorul să se rotească în ambele direcții, după cum este necesar pentru a aduce arborele de ieșire în poziția corespunzătoare. Pe măsură ce se apropie pozițiile, semnalul de eroare se reduce la zero și motorul se oprește. Servomotoarele cele mai simple utilizează un senzor de poziție numai printr-un potențiometru și un control de bang-bang al motorului; motorul se rotește întotdeauna la viteză maximă (sau este oprit). Acest tip de servomotor nu este utilizat pe scară largă în controlul mișcării industriale, ci formează baza servoarelor simple și ieftine utilizate pentru modelele cu comandă radio. Servomotoarele mai sofisticate utilizează encodere optice rotative pentru a măsura viteza arborelui de ieșire și un dispozitiv de turație variabilă pentru a controla turația motorului. Ambele aceste îmbunătățiri, de obicei în combinație cu un algoritm de control PID, permit servomotorului să fie adus la poziția comandată mai repede și mai precis, cu o mai mică depășire. Primele servomotoare au fost dezvoltate ca sincroni cu encodere. Sa lucrat mult cu aceste sisteme în dezvoltarea artileriei radar și antiaerian în timpul celui de-al doilea război mondial. Servomotoarele simple pot folosi potențiometre rezistive ca encoder de poziție. Acestea sunt utilizate doar la cel mai simplu și mai ieftin nivel și sunt în competiție strânsă cu motoarele pas cu pas. Acestea suferă de uzură și zgomot electric în calea potențiometrului. Deși ar fi posibil să se diferențieze electric semnalul de poziție pentru a obține un semnal de viteză, controlorii PID care pot utiliza un astfel de semnal de viteză, în general, justifică un codificator mai precis. Servomotoarele moderne folosesc encodere rotative, fie absolute, fie incrementale. Codificatoarele absolute pot determina poziția lor la pornire, dar sunt mai complicate și 40

mai scumpe. Codificatoarele incrementale sunt mai simple, mai ieftine și lucrează la viteze mai mari. Sistemele incrementale, cum ar fi motoarele pas cu pas, adesea combină capacitatea lor inerentă de a măsura intervalele de rotație cu un senzor simplu de poziție zero pentru a-și stabili poziția la pornire. În lucrarea de față, un servomotor este utilizat pentru a roti orizontal senzorul ultrasonic de detectare și măsurare a distanței până la obstacolele din fața vehiculului. Acesta este conectat la sistemul vehiculului conform Fig. 22. Sistemul radar format din perechea senzor ultrasonic și servomotor permite sistemului Fig. 22 Schema electrică a sistemului radar automat de pe vehicul detectarea obstacolelor din fața vehiculului pe un unghi de 4550O față de axa longitudinală. Acest unghi poate fi reglat până la valori de 90O pe axa longitudinală, dar s-a decis reducerea lui la o valoare rezonabilă de 45O, deoarece un unghi mai mare implică un timp mai mare de execuție a unui ciclu complet de scanare (un ciclu complet de scanare a zonei din fața vehiculului cuprinde un unghi de, aproximativ, 90O, ceea ce implică timp considerabil pentru realizarea unui ciclu).

Fig. 23 Explicativă la unghiul de detectare a sensozului de obstacole cu ultrasunete

Servomotorul de rotire unghiulară a sistemului radar este microservomotorul SG90, care are următoarele caracteristici tehnice:  Tensiune de alimentare: 4,8 .. 6(V);  Curent consumat: 0,19 .. 0,24 (A);  Cuplu dezvoltat: 16(N/cm);  Viteză de funcționare: 0,1(s/60o);  Temperatura de utilizare: -30 .. +60(OC);  Tip: Analogic;  Dimensiuni (L x l x Î): 23 x 12,2 x 29(mm); Acest servomotor are, în calitate de encoder, un potențiometru cu o deplasare de O 180 , ceea ce este suficient pentru aplicația în cauză. 41

6.2. Principiul de funcționare al sistemului de recepție de pe vehicul Din moment ce principiul de funcționare implică o secvență complexă de cod, și numărul de pagini alocat este redus, se va recurge la o formă de explicare a principiului de funcționare a dispozitivului de recepție de pe vehicul cu ajutorul unei scheme logice de funcționare, reprezentată în Fig. 24.

Fig. 24 Schema logică de funcționare a sistemului receptor de pe vehicul

După cum se obsevă în Fig. 24, sistemul receptor funcționează pe baza unui algoritm de buclă închisă. Acest algoritm are două funcții principale: prima – asigură conexiunea cu centrul de comandă, de unde primește date privind deplasarea și trimite dare privind starea vehiculului în plan intern și extern (intern – starea încărcării bateriilor de acumulatori și variabilele stocate temporar, și extern – situația și poziția vehiculului în spațiu) și a doua – asigură livrarea continuă a datelor în și din sistemul de calcul al vehiculului, asigurând astfel o operare neîntreruptă și un flux de date sigur. Totodată, se poate observa, că sistemul este programat astfel încât să execute autodiagnoză și autoconfirmare a datelor primite și emise. Astfel, dacă conexiunea cu centrul de comandă este pierdută sau se efectuează cu întreruperi, sistemul este programat să oprească instant vehiculul, pentru a evita deteriorarea sau pierderea definitivă a acestuia. Totodată, secvența de confirmare a recepției datelor, care este înseriată în bucla principală de execușție, asigură livrarea sau primirea unui pachet complet de date, fără pierderi în timpul ciclului de transfer, din cauza unor eventuare perturbații sau zgomote electromagnetice. 42

CAPITOLUL 7. SISTEMUL DE TELECOMANDĂ Sistemul de telecomandă este construit mult mai simplu decât sistemul receptor de pe vehicul. Acesta include în construcția fizică patru elemente de bază: microcontrolerul Arduino Pro Mini, modulul radio Nrf24L01, un joystick și un potențiometru. Principiul care stă la baza construcției sistemului de telecomandă este simplitatea și comoditatea utilizării acesteia, de către operatorul uman, cu o singură mână. În concluziile acestei lucrări se va explica de ce s-a ales anume proiectarea telecomenzii pentru a fi facilă utilizarea cu o singură mână (preponderent stânga, dar acest aspect nu este obligatoriu). Construcția telecomenzii este astfel proiectată, încât să încapă în mâna operatorului fără a provoca obosirea rapidă, deci este vorba despre o ergonomie relativă, neperfectă, datorită experienței insuficiente a autorului în ceea ce ține de aspectul anatomic al formei telecomenzii. 7.1. Echipamente utilizate. Specificații tehnice În cazul aspectului microcontrolerului și a modulului radio utilizat pentru a prelua, prelucra, transmite și primi date, acestea sunt identice cu sistemul instalat pe vehicul, Arduino Pro Mini și Nrf24L01 corespunzător. Schema de conexiune electrică a microcontrolerului și modulului radio sunt identice cu sistemul receptor și sunt descrise detaliat în capitolul 6. 7.1.1. Potențiometrul Un potențiometru este un rezistor cu trei terminale, cu un contact glisant sau rotativ, care formează un divizor de tensiune reglabil.[32] Dacă se folosesc numai două terminale - un capăt și contactul glisant, acesta funcționează ca un rezistor variabil sau reostat. Instrumentul de măsurare numit potențiometru este, în esență, un divizor de tensiune folosit pentru măsurarea potențialului electric (tensiune); componenta este o implementare a aceluiași Fig. 25 Construcția potențiometrului: principiu, de unde și numele său. A – ax; B - element rezistiv; C - contact Potențiometrele sunt utilizate în mod alunecător; D - mecanism de conexiune obișnuit pentru a controla dispozitivele contact alunecător cu axul; E, G - terminale electrice, cum ar fi comenzile de volum ale capete element rezistiv; F - terminal contact alunecător; H – camă de limitare a cursei. echipamentelor audio. Potențiometrele operate de un mecanism pot fi utilizate ca și traductoare de poziție, de exemplu, întrun joystick. Potențiometrele sunt rareori utilizate pentru a controla direct puterea semnificativă (mai mult de un watt), deoarece puterea disipată în potențiometru ar fi 43

comparabilă cu puterea în sarcina controlată, ceea ce ar duce la distrugerea termică rapidă a potențiometrului. Potențiometrele acționate de utilizator sunt utilizate pe scară largă ca controale ale utilizatorilor și pot controla o gamă largă de funcții ale echipamentelor. Utilizarea pe scară largă a potențiometrelor în electronică de consum a scăzut în anii '90, cu encodere rotative, butoane sus/jos și alte controale digitale acum mai frecvente. Cu toate acestea, acestea rămân în multe aplicații, cum ar fi comenzile de volum și senzorii de poziție. Potențiometrele pot fi utilizate ca dispozitive de feedback pozițional pentru a crea un control "în buclă închisă", cum ar fi un servomecanism. Această metodă de control al mișcării utilizată în motorul DC este cea mai simplă metodă de măsurare a unghiului, vitezei și deplasării. Unul dintre avantajele potențiometrului, comparativ cu un rezistor variabil în serie cu sursa, este că, în timp ce rezistoarele variabile au o rezistență maximă în care un curent va curge întotdeauna, divizoarele pot să varieze tensiunea de ieșire de la maxim (VS) (zero volți), deoarece ștergătorul se deplasează de la un capăt al potențiometrului la celălalt. Cu toate că există întotdeauna o cantitate mică de rezistență la contact, aceasta este, în majoritatea aplicațiilor, neglijabilă. În plus, rezistența la sarcină este adesea necunoscută și, prin urmare, pur și simplu plasarea unui rezistor variabil în serie cu sarcina ar putea avea un efect neglijabil sau un efect excesiv, în funcție de sarcină. În aplicația vehicul de cercetare explorare, în construcția telecomenzii intră trei potențiometre, două în formă de joystick, care se va descrie detaliat în sub-subcapitolul 7.1.2 și un potențiometru independent de 10(kΩ) pentru reglarea vitezei de deplasare a vehiculului. 7.1.2. Joystick-ul Un stick analogic, uneori numit stick, joystick sau thumbstick, este un dispozitiv de intrare pentru un controler (adesea un controler de joc) care este folosit pentru intrarea bidimensională. Un stick analog este o variantă a unui joystick, constând dintr-o proeminență a controlerului; intrarea se bazează pe poziția acestei proiecții la poziția "centrală" implicită. În timp ce bastoanele digitale se bazează pe conexiuni electrice individuale de mișcare (prin intermediul contactelor electrice digitale interne, în sus, în jos, în stânga și în dreapta), barele analogice utilizează o activitate Fig. 26 Joystick utilizat în electrică continuă care trece prin potențiometre pentru telecomanda vehiculului de a măsura poziția exactă a bastonului în întreaga gamă de cercetare și explorare mișcări. Stick-ul analogic a depășit cu mult vechiul tip mecanic de joystick, deoarece permite identificarea exactă a poziției arborelui în raport cu poziția neutră. 44

Joystickul electric cu două axe a fost inventat de C.B. Mirick la Laboratorul de Cercetare Navală al Statelor Unite (NRL) și brevetat în 1926 (brevetul US 1.597.416). NRL a dezvoltat în mod activ aeronave controlate la distanță în acel moment și joystickul a fost folosit, probabil, pentru a sprijini acest efort. În brevetul acordat, Mirick scrie: "Sistemul meu de control este deosebit de aplicabil în manevrarea aeronavelor fără pilot."[29] În telecomanda vehiculului de cercetare și explorare, joystick-ul este utilizat pentru a indica direcția de deplasare a vehiculului. Acesta este compus din două potentiometer așezate, cu axele, la 90O unul față de celălalt, astfel creând impresia unei mișcări stânga-dreapta și înainte înapoi. Totodată, axele joystick-ului nu sunt reciproc blocante, ceea ce permite o trecere lină de la o direcție de deplasare la alta sau o virare lină, fără șocuri și întreruperi. Schema de conectare a joystick-ului la Arduino este reprezentată în schema din Fig.27.

Fig. 27 Schema de conectare a joystick-ului

Din Fig. 27 se observă că joystick-ul are un contact normal deschis, solidar cu arborele principal. Acest contact este utilizat pentru a întoarce vehiculul pe loc, la orice unghi, cu rază zero de virare, conform Fig. 28.

Fig. 28 Explicativă la tipul de întoarcere pe loc cu rază zero

45

7.2. Principiul de funcționare al emiţătorului Se va menține aceeași bază explicativă ca și în cazul principiului de funcționare al receptorului de pe vehicul. Logica de funcționare a dispozitivului de telecomandă este similară schemei logice a receptorului, cu simpla diferență că aici datele sunt citite de la un actuator (joystick, buton de joystick și potențiometru) și apoi transmise perechii receptoare, prin modulul radio. Sistemul de telecomandă are, la fel ca în cazul receptorului, o buclă închisă de funcționare, cu autodiagnoză de conexiune, astfel asigurându-se continuitatea și stabilitatea conexiunii radio între telecomandă și vehicul. Schema logică de funcționare a sistemului de telecomandă este descris în Fig. 29.

Fig. 29 Schema logică telecomandă

După cum se vede, schema logică are aceeași bază de funcționare ca și receptorul. Acest aspect este realizat datorită funcției duble a modulului Nrf24L01, descris în capitolul 6. Modulul poate funcționa atât în regim de receptor, cât și emițător, fiind un transciever și nu doar un receiver sau transmitter.

46

CAPITOLUL 8. TESTE ŞI REZULTATE În acest capitol se vor descrie și demonstra testele de bază, care s-au realizat pentru a interconecta și sincroniza diferite elemente componente, cât și pentru a calibra diferiți actuatori, cum ar fi: potențiometrul de reglaj al vitezei de deplasare, identificarea poziției neutre a axelor X și Y ale joystick-ului de direcție, stabilirea canalului de conexiune radio cu cele mai puține zgomote perturbatoare, stabilirea poziției neutre a servomotorului radarului corespunzătoare axei longitudinale a vehiculului, calibrarea cu precizie a senzorului de tensiune, calibrarea convertorului pentru alimentarea dispozitivelor ce trebuie alimentați la 3,3(V) și multe altele, dar despre toate pe rând. Totul începe cu asamblarea dispozitivului de telecomandă și testarea funcționalității sistemului radio, cât și identificarea zgomotelor pe cele 125 de canale disponibile. Pentru aceasta se încarcă în microcontroler codul sursă indicat la Anexa 5. Astfel, după deschiderea ferestrei seriale, se va observa rezultatul din Fig. 30.

Fig. 30 Scanare zgomote canale modul radio

În Fig. 30 se observă bine acele canale care au zgomote. Acestea sunt cuprinse între: [0x50 .. 0x13]; [0x19 .. 0x1a]; [0x1e .. 0x27] și [0x39 .. 0x51]. Aceste canale trebuie evitate în setările ulterioare ale modulului, deoarece pot induce perturbații și pierderi de date în timpul sesiunilor de transmisie-recepție. Un canal curat, din cele 125 indicate în chenarul roșu din Fig.30, ar fi, spre exemplu 0x5b, care este izolat bine de sursele de zgomot din atelierul unde a fost configurat modulul. NOTĂ: Această verificare preliminară este obligatorie deoarece modulul radio funcționează în aceeași bandă de frecvență cu multe alte dispozitive radio uzuale, cum ar fi routerele wi-fi. De aceea, selectarea canalului corespunzător de comunicație este esențial pentru o conexiune sigură și continuă. Acest test de conexiune se execută cu ambele dispozitive (receptor și emițător) pentru a asigura conexiunea corespunzătoare a ambelor. 47

Se verifică, de asemenea tensiunea fiecărei celule a bateriei de acumulatori, conform Fig. 31. Acest test permite identificarea celulelor descărcate sau deteriorate, pentru a se lua măsuri preliminare de încărcare a celulei descărcate sau înlocuirea definitivă a acesteia.

Fig. 31 Testare tensiune celulă li-ion

În Fig. 31 se observă că tensiunea actuală a celulei este de 4.00(V), și, din motiv că tensiunea nominală este 3,7(V), iar tensiunea maximă de 4.25(V), putem face concluzia că celula este încărcată și pregătită de înstalare în sistemul bateriei de acumulatori, reprezentat în figura de mai jos.

Fig. 32 Baterie de acumulatori asamblată

48

După asamblarea vehiculului se testează senzorul de tensiune de pe vehicul. Acesta se verifică cu ajutorul codului de mai jos, care se încarcă în microcontroler, și un multimetru de verificare a calibrării. const int senzorTensiune = A3; float Uout = 0.0; float Uin = 0.0; float R1 = 30000.0; float R2 = 7500.0; int valoare = 0; void setup(){ Serial.begin(9600); delay(2000);} void loop(){ valoare = analogRead(senzorTensiune); Uout = (valoare * 5.0) / 1023.5; Uin = Uout / (R2/(R1+R2)); Serial.print("Tensiune baterie = "); Serial.println(Uout); delay(1000);}

Fig. 33 Testarea tensiunii cu multimetrul (stânga) și afișarea tensiunii cu monitorul serial(dreapta)

După cume se vede în Fig. 33 (dreapta) – tensiunea afișată pe monitorul serial este, practice identică cu valorile afișate de multimetru. Această eroare se poate datora atât diferenței de calibrare și precizia multimetrului, cât și de imprecizia convertorului analog-digital al microcontrolerului.

49

Se testează, deasemenea, și senzorul ultrasonic de obstacole împreună cu servomotorul, care alcătuiesc sistemul radar al vehiculului. Se încarcă în microcontroler programul din Anexa 6 și se deschide monitorul serial. Se va afişa următoarea fereastră cu datele preluate de la senzorul ultrasonic:

Fig. 34 Rezultate dispozitiv radar (distanță până la cel mai apropiat obstacol (stânga) și unghiul de citire (dreapta))

În urma acestui test s-a observat că dispozitivul radar întâlnește înțepeniri în timpul rotirii senzorului ultrasonic cu ajutorul servomotorului. În urma cercetărilor, s-a constatat că aceste înțepeniri se datorează însăși senzorului ultrasonic, care are o viteză redusă de transmisie de date, ceea ce implică întârzieri în execuția algoritmului de preluare de date din mediu și transportul lor la microcontroler. Aceste întârzieri vor influiența, în mare măsură, și întărzierile de conexiune între vehicul și centrul de comandă, astfel, din momentul preluării comenzii de citire a datelor din mediu și până la afișarea acestora pe monitorul operatorului v-a trece o perioadă de timp între 0.5 și 1.5 secunde. Din păcate, unica soluție rezonabilă ar fi înlocuirea sezorului ultrasonic, cu unul mai performant și de viteză mai mare sau cu un senzor de distanță fotoelectric, cum ar fi radiație luminoasă infraroșie.

50

CONCLUZII Această aplicație și-a propus realizarea unui prototip de vehicul de explorare și cercetare pe baza platformei de dezvoltare Arduino. Scopul principal a fost realizarea unui vehciul care ar avea capacitate de trecere ridicată, inclusiv suprafețe accidentate, zone greu accesibile, cu misiuni de explorare, cercetare și recunoaștere. Raza minimă de acțiune, s-a propus a fi 80 demetri, pe când în urma testelor efectuate în câmp deschis, raza de conexiune a modulului a atins valoarea de aproximativ 100m, astfel unul din scopuri realizându-se integral. Totodată, s-a constatat că modulul radio utilizat (Nrf24L01) s-a prezentat ca un dispozitiv sigur pentru astfel de aplicații. De aceea, unul din sistemele care vor urma a fi modernizate este sistemul de conexiune radio, și anume, extinderea razei de acțiune până la 1km. Lista scopurilor propuse de autor a fost și realizarea unui încărcător specializat, pentru a permite o încărcare rapidă și sigură a bateriilor de acumulatori ai vehiculului, luând în calcul aspectele specifice încărcării celulelor în tehnologie litiu-ion. Și acest scop a fost atins, deoarece, conform calculelor din capitolul 5, timpii maximi propuși, de încărcare, s-au respectat, atingând o durată minimă de încărcare de 1,5 ore în regim forțat, rezultat peste așteptările de început ale autorului. Totodată, se poate de avidențiat un principiul important, de care a trebuit să se țină cont, în timpul proiectării ptototipului, și anume modularizarea. Aceasta oferă avantajul deservirii și înlocuirii rapide a pieselor defecte, dar și modificării și modernizării ulerioare, conform cerințelor viitorilor utilizatori, fără eforturi considerabile. Deci, una din concluzii este că și acest scop a fost îndeplinit. Una din părțile mai puțin plăcute este faptul că sistemul radar, destinat scanării active a mediului din fața vehiculului, nu a îndeplinit așteptările autorului, manifestând întârzieri de citire și transmitere a datelor spre centrul de comandă, astfel implicând complicații în realizarea codului final de programare al dispozitivului de conducere de pe vehicul și adaptarea complexă a versiunii finale a codului acestuia. În viitorul apropiat, se propune modernizarea vehiculului prin proiectarea și instalarea unui braț robotic, comandat de mișcările brațului operatorului, pentru a extinde funcționalitatea și eficiența utilizării acestuia; înlocuirea modulelor de comunicație radio cu module cu rază extinsă, până la 1km, pentru a extinde raza de acțiune a vehiculului. O opțiune indispensabilă va fi și instalarea unei camere de tip Realitate Virtuală, conectată la ochelarii VR ai operatorului, care va urmări traiectoria mișcărilor capului, ceea ce va permite operatorului utilizarea vehiculului, echipat cu braț robotic, chiar și în afara razei de vizibilitate a punctului de comandă. Se propune, de asemenea și o modernizare a sistemului radar prin înlocuirea senzorului ultrasonic cu un senzor rapid fotoelectric, ce va exclude întârzierile susmenționate. În final, se poate afirma, cu încredere, că lucrarea este una reușită, cu rezultate satisfăcătoare, luând în calcul experiența insuficientă a autorului și soluțiile propuse de acesta la problemele întâmpinate în timpul proiectării și asamblării prototipului.

51

BIBLIOGRAFIE [1]. http://chornobyl.in.ua/fukusima-robot-toshiba.html [2]. http://chornobyl.in.ua/robot-str.html [3]. http://slavapril.narod.ru/raschet_bloka_pitania.html [4]. http://www.qreferat.com/referate/mecanica/Functionarea-si-incercarea-mot928.php [5]. https://cleste.ro/motor-cu-reductor-3-6v.html [6]. https://dexonline.net/definitie-ampatament [7]. https://dexonline.ro/definitie/ecartament [8]. https://dexonline.ro/definitie/interschimbabilitate [9]. https://ems.utcluj.ro/mircea-ruba/teaching/is/Curs%203.pdf [10]. https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_battery [11]. https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation [12]. https://en.wikipedia.org/wiki/Ultrasonic_transducer [13]. https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_divider#Resistive_divider [14]. https://ic-contract.ru/articles/item/672-preimushchestva-toroidalnykhtransformatorov-pered-obychnymi-transformatorami-s-shikhtovannymiserdechnikami.html [15]. https://knowledge.autodesk.com/support/inventor-products [16]. https://ro.wikipedia.org/wiki/Accidentul_nuclear_de_la_Cernob%C3%Ael [17]. https://ro.wikipedia.org/wiki/Accidentul_nuclear_de_la_Fukushima-Daiichi [18]. https://ro.wikipedia.org/wiki/Leonid_Brejnev [19]. https://ro.wikipedia.org/wiki/Luna_9 [20]. https://static2.tme.eu/products_pics/1/7/0/1703626cd9c286851bfe5dd99fc0088f/hi gh_res_484396.jpg [21]. https://ultimaker.com/en/products/ultimaker-cura-software [22]. https://vpayaem.ru/inf_rect1.html [23]. https://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/22440/STMICROELECTRONICS/L298N.html [24]. https://www.arduino.cc/en/pmwiki.php?n=Main/ArduinoBoardProMini [25]. https://www.dnatechindia.com/image/cache/catalog/HX-3S-01-BMS-18650-Li-ionLithium-Battery-PCM-Lithium-Charger-Battery-Cell-Pack-500x500.jpg [26]. https://www.eplan.ro/ro/start/ [27]. https://www.google.com/search?client=firefox-b-d&q=hc-sr04+datasheet [28]. https://www.tme.eu/ro/katalog/transformatoare-toroidale [29]. Mirick, C. B. (1926). "Electrical Distant Control System". United States Patent and Trademark Office. Retrieved 2012-10-21. [30]. N. Badea – Modelarea şi Simularea Sistemelor Electromecanice - Editura Fundaţiei Universitare „Dunărea de Jos” din Galați, 2018 [31]. Saxena, S.; Hendricks, C.; Pecht, M. (2016). "Cycle life testing and modeling of graphite/LiCoO2 cells under different state of charge ranges". Journal of Power Sources. 327: 394. [32]. The Authoritative Dictionary of IEEE Standards Terms (IEEE 100) (seventh ed.). Piscataway, New Jersey: IEEE Press. 2000. ISBN 0-7381-2601-2. [33]. www.ti.com/lit/gpn/lm2679

ANEXA 1 Date micromotoare de curent continuu cu magneți permanenți TENSIUNE [V]

MERS ÎN GOL

EFICIENȚĂ MAXIMĂ

ROTOR CALAT

GAMA DE OPERARE

NOM.

VITEZĂ

CURENT

VITEZĂ

CURENT

V

V

rot/min

A

rot/min

A

mN*m

g*cm

W

mN*m

g*cm

A

ET-DCM0815F-08127

≤3.5

1.5

9100

0.028

6750

0.08

0.065

0.66

0.046

0.25

2.5

0.23

ET-DCM0815F-09101

1.5 – 3.5

2.8

22200

0.054

17230

0.19

0.13

1.3

0.23

0.58

5.9

0.65

ET-DCM1015F-1255

1.2 – 2

1.5

17100

0.094

13300

0.33

0.15

1.6

0.21

0.69

7

1.15

ET-DCM1015F-07230

3.7 – 6

3.7

12100

0.023

9280

0.076

0.13

1.4

0.13

0.57

5.8

0.25

ET-DCM1015F-10120

1.5 - 4

2.8

17800

0.052

14050

0.19

0.18

1.8

0.26

0.85

8.7

0.73

ET-DCM1215F-10190

2–5

3

12100

0.045

9390

0.16

0.21

2.1

0.2

0.92

9.4

0.54

ET-DCM1618F-09210

3–7

7

14800

0.056

11500

0.2

0.56

5.7

0.67

2.5

25

0.68

ET-DCM1618F-11160

2 – 5.5

5

13800

0.066

10870

0.25

0.53

5.4

0.6

2.5

25

0.91

ET-DCM1618F-08250

1.5 – 4.5

2.5

4100

0.028

2900

0.071

0.21

2.1

0.062

0.74

7.6

0.18

ET-DCM1618F-11195

3-6

5

11000

0.05

8150

0.17

3.27

7.3

0.64

2.16

22

0.6

ET-DCM1627F-11170

2–8

7

10400

0.046

8440

0.2

0.83

8.5

0.73

4.41

45

0.85

ET-DCM1627F-09250

5 – 11.5

8

8100

0.023

6610

0.1

0.63

6.4

0.44

3.43

35

0.45

ET-DCM2125F-11340

3.5 – 5.5

5

5400

0.03

4220

0.11

0.56

5.7

0.25

2.55

26

0.38

ET-DCM2125F-14230

2.5 – 10

6

7400

0.05

6060

0.23

1.2

12.3

0.76

6.67

68

1.03

ET-DCM2125F-11340

3 – 12

7.5

6100

0.033

4920

0.14

1.06

10.9

0.55

5.49

56

0.57

ET-DCM2132F-2852

1-3

2.4

8100

0.15

6850

0.82

1.82

18.6

1.3

11.8

120

4.5

ET-DCM2132F-2657

1-3

2.4

7700

0.13

6500

0.7

1.56

15.9

1.06

10

102

3.8

ET-DCM2132F-10320

6 – 12

12

4100

0.028

2900

0.071

0.21

2.1

0.062

0.74

7.6

0.18

ET-DCM2132F-14210

3 – 7.2

4.5

3700

0.025

3200

0.69

0.69

7

0.23

6.17

6.3

0.68

MODEL

53

CUPLU

PUTERE

CUPLU

CURENT

ANEXA 2 Specificații tehnice modul driver electronic de putere L298N la Tj = 25OC Max.

Unitate de măsură

46

V

5

7

V

13 50

22 70

mA mA

4

mA

36 12

mA mA

6

mA

-0.3

1.5

V

2.3

VSS

V

-10

µA

100

µA

-0.3

1.5

V

2.3

VSS

V

-10

µA

30

100

µA

1.35 2 1.2 1.7

1.7 2.7 1.6 2.3 3.2 4.9

V V V V V V

2

V

Simbol

Parametru

Condiții de încercare

Min.

VS

Tensiune de alimentare

Regim permanent

VIH +2.5

VSS

Tensiune de comandă

IS

ISS

VIL VIH IIL

IIH Ven = L Ven = H Ien = L

Ien = H VCesat(H) VCEsat(L) VCEsat Vsens

4.5 Ven = H; IL = 0

Vi = L Vi = H

Ven = L

Vi = X

Ven = H; IL = 0

Vi = L Vi = H

Ven = L

Vi = X

Curent de alimentare

Curent de alimentare VSS Tensiunea joasă de intrare (pin 5, 7, 10, 12) Tensiunea înaltă de intrare (pin 5, 7, 10, 12) Curent de intrare la tensiune joasă (pin 5, 7, 10, 12) Curent de intrare la tensiune înaltă (pin 5, 7, 10, 12) Tensiune joasă de deschidere (pin 6, 11) Tensiune înaltă de deschidere (pin 6, 11) Curent de deschidere la tensiune joasă (pin 6, 11) Curent de deschidere la tensiune înaltă (pin 6, 11) Tensiune de saturare a sursei Tensiune de saturare la scurgere Cădere totală de tensiune Tensiune de sensibilizare (pin 1, 15)

Tipic

24 7

Vi = L

Vi = H ≤ VSS – 0.6V

30

Ven = L

Vi = H ≤ VSS – 0.6V IL = 1A IL = 2A IL = 1A IL = 2A IL = 1A IL = 2A

0.95 0.85 1.8 -1 (1)

54

ANEXA 3 Specificaţii tehnice ale celulelor Li-ion Samsung, form-factor 18650, conform fişei tehnice livrate de producător. Model: ICR18650-26F Item

Specificație 2600mAh

Capacitate nominală

(0.2C, la descărcarea până la 2.75V) 2550mAh

Capacitate minimă garantată

(0.2C, la descărcarea până la 2.75V)

Tensiune de încărcare

4,2 ±0,05V

Tensiune nominală Metoda de încărcare

3,7V CC-CV (Tensiune Constantă cu Curent Limitat) Standard: 1300mA

Curent de încărcare

Rapid: 2600mA Standard: 3 ore

Timp de încărcare

Rapid: 2,5 ore

Curent maxim de încărcare

2600mA (la 25OC)

Curent maxim de descărcare

5200mA (la 25OC)

Tensiune minimă de deconectare

2,75V

Greutate

47.0g max Înălțime: 65.00mm max

Dimensiuni

Diametru: 18.40mm max Încărcare:

Temperatura de utilizare

0 ÷ 45 OC

Decărcare: -20 ÷ 60 OC 1 an - -20 ÷ 25 OC

Temperatura de depozitare inactviă

3 luni - -20 ÷ 45 OC 1 lună - -20 ÷ 60 OC

Capacitate relativă

55

-10OC

-

50%

0OC

-

80%

25OC

-

100%

40 OC

-

80%

ANEXA 4 Transformatoare toroidale marca NT Magnetics. [26] S U1 U2 Model [VA] [V] [V] 58-0012-012 230 12 58-0012-018 230 18 12 58-0012-024 230 24 58-0012-030 230 30 58-0020-12 230 12 58-0020-18 230 18 20 58-0020-24 230 24 58-0020-30 230 30 58-0032-12 230 12 58-0032-18 230 18 32 58-0032-24 230 24 58-0032-30 230 30 58-0050-12 230 12 58-0050-18 230 18 58-0050-24 230 24 58-0050-30 50 230 30 58-0050-48 230 48 58-0050-60 230 60 58-0050-115 230 115 58-0080-12 230 12 58-0080-18 230 18 58-0080-24 230 24 80 58-0080-30 230 30 58-0080-48 230 48 58-0080-60 230 60 58-0100-12 230 12 58-0100-18 230 18 58-0100-24 230 24 58-0100-30 230 30 100 58-0100-48 230 48 58-0100-60 230 60 58-0100-115 230 115 58-0100-230 230 230

56

I2 [A] 1,000 0,667 0,500 0,400 1,667 1,111 0,833 0,667 2,667 1,778 1,333 1,067 4,167 2,778 2,083 1,667 1,042 0,883 0,435 6,667 4,444 3,333 2,667 1,667 1,333 8,333 5,556 4,167 3,333 2,083 1,667 0,870 0,435

Dimensiuni [mm*mm/kg] 57 x 29 / 0,26

57 x 35 / 0,35

70 x 36 / 48

80 x 33 / 063

80 x 44 / 0,89

93 x 42 / 1,10

ANEXA 5 #include //verificare conexiune corectă modul radio și #include "nRF24L01.h" //prezență zgomote pe canale #include "RF24.h" RF24 radio(9,10); // inițiere modul RF24L01 pe pinii 9 și 10 const uint8_t num_channels = 128; uint8_t values[num_channels]; void setup(void){ Serial.begin(9600); printf_begin(); radio.begin(); radio.setAutoAck(false); radio.startListening(); radio.printDetails(); // Această comandă va imprima ceva pe monitorul //serial, dacă totul este conectat bine. delay(5000); // așteptăm 5 secunde. radio.stopListening(); int i = 0; // Această secvență va imprima adresele celor 125 canale while ( i < num_channels ) { printf("%x",i>>4); ++i;} printf("\n\r"); i = 0; while ( i < num_channels ) { printf("%x",i&0xf); ++i;} printf("\n\r");} const int num_reps = 100; void loop(void){ memset(values,0,sizeof(values)); int rep_counter = num_reps; while (rep_counter--) { int i = num_channels; while (i--) { radio.setChannel(i); radio.startListening(); delayMicroseconds(128); radio.stopListening(); if ( radio.testCarrier() ) ++values[i]; } } int i = 0; while ( i < num_channels ) { printf("%x",min(0xf,values[i]&0xf)); ++i; } printf("\n\r");} int serial_putc( char c, FILE * ) { Serial.write( c ); return c;} void printf_begin(void) { fdevopen( &serial_putc, 0 );}

57

ANEXA 6 void setup(){ Serial.begin(9600); servo.attach(3);} void loop(){ for (pozitie = 45; pozitie = 45; pozitie -= 1) { servo.write(pozitie); masoara(); Serial.print(masoara()); Serial.print("cm "); Serial.print(pozitie); Serial.println("grade"); delay(35);}} int masoara(){ distanta = hc.dist(); if (distanta >= 250){ distanta = 250; } return distanta;}

58

ANEXA 7 Codul final, ce trebuie încărcat în telecomandă, prin intermediul Arduino IDE. #include #include #include //vom crea un obiect cu denumirea RF24 RF24 radio (9,8); //(CE,CSN) //selectăm adresa prin care vor comunica cele două module const uint64_t TX_pipe = 0xE8E8F0F0E1LL; void setup(){ Serial.begin(9600); radio.begin(); radio.setAutoAck(1); radio.setRetries(0, 5);

//pornire modul //regim confirmare conexiune, 1-ON, 0-OFF //(timpul dintre încercările de stabilire a // conexiunii, numărul de încercări) în μs radio.enableAckPayload(); //permite trimiterea datelor ca răspuns la un // semnal de intrare radio.setPayloadSize(32); //mărimea pachetului de date, în biți radio.openWritingPipe(TX_pipe); //deschiderea canalului cu adresa definită // anterior (TX_pipe) radio.setChannel(0x5b); //alegem canalul (în care nu sunt // zgomote!) radio.setPALevel (RF24_PA_MAX); //nivelul de putere al emițătorului. // La alegere: RF24_PA_MIN, RF24_PA_LOW, // RF24_PA_HIGH, RF24_PA_MAX radio.setDataRate (RF24_250KBPS); //viteza de transmitere și recepție a // datelor. La alegere: RF24_2MBPS, // RF24_1MBPS, RF24_250KBPS //trebuie să fie identică la ambele // dispozitive Nrf24L01! //la cea mai mică viteză avem cea mai mare //sensibilitate și distanță sigură de //comunicare! radio.powerUp(); //alimentare dispozitiv radio.stopListening(); //nu ascultăm frecvența, suntem emițător //se înlocuiește cu .startListening(); la //modulul receptor } void loop(){ dataTX[0] = analogRead(potPin); //citire valoare potențiometru dataTX[1] = analogRead(axaXPin);

//citire valoare axa x

dataTX[2] = analogRead(axaYPin);

//citire valoare axa y

dataTX[3] = analogRead(butonPin);

//citire stare buton

radio.write( &dataTX , sizeof(dataTX) ); }

59

ANEXA 8

Codul final necesar pentru programarea receptorului de pe vehicul. #include #include "nRF24L01.h" #include "RF24.h" #define CE 10 #define CN 10 const uint64_t RX_pipe = 0xE8E8F0F0E1LL; RF24 radio(CE,CN); // (CE,CN) int dataRX [4]; //numarul de variabile primite (joystick axa X; axa Y; buton joystick; potențiometru viteză) int viteza; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode (2,OUTPUT); pinMode (3,OUTPUT); pinMode (4,OUTPUT); pinMode (7,OUTPUT); pinMode (8,OUTPUT); pinMode (9,OUTPUT); radio.begin(); //activare modul Nrf24L01 radio.setAutoAck(1);//regim confirmare conexiune, 1 - regim pornit 0 regim oprit radio.setRetries(0, 5); //(timp între numărul de încercări de conectare, numărul de încercări) radio.enableAckPayload(); //permisiune trimitere date ca răspuns la semnal de intrare radio.setPayloadSize(32); //dimensiunea pachetului de date, în biți radio.openReadingPipe(1,RX_pipe); //ascultăm canalul RX_pipe radio.setChannel(0x5b); //alegem adresa canalulului de comunicare (pe care nu este zgomot!) radio.setPALevel (RF24_PA_MAX); //Puterea de emisie a emițătorului. La alegere RF24_PA_MIN, RF24_PA_LOW, RF24_PA_HIGH, RF24_PA_MAX radio.setDataRate (RF24_250KBPS); //Viteza de transmisie. La alegere RF24_2MBPS, RF24_1MBPS, RF24_250KBPS //trebuie să fie setată la fel la ambele dispozitive: emițător și receptor! //viteza de transmisie e invers proporțională cu distanța și sensibilitatea dispozitivelor!! radio.powerUp(); //start transmisie radio.startListening(); //ascultăm, noi suntem receptorul } void loop(){ if ( radio.available(RX_pipe) ) {radio.read(dataRX, sizeof(dataRX)); } viteza = map(dataRX[0], 0, 1023, 0, 255); if (dataRX[2] >=520){ digitalWrite(2, HIGH); digitalWrite(7, HIGH); analogWrite (3, viteza); analogWrite (9, viteza); }

60

else if (dataRX[2]