Полный текст

Введение. В настоящее время чрезвычайно актуальной является задача автоматизации процесса рентгенографического исследования изделий из полимерных композиционных материалов [1]. Один из путей решения данной задачи - создание роботизированной установки, автоматически выполняющей комплекс взаимосвязанных операций по позиционированию источника и приемника рентгеновского излучения [2]. Рентгенографическое исследование необходимо для своевременного обнаружения дефектов во внутренней структуре изделий и может применяться при оценке качества и надежности выпускаемой продукции, а также при определении остаточного ресурса деталей, что является отдельной актуальной проблемой [3-5]. Функционирование установки должно происходить таким образом, чтобы полученная серия снимков позволяла провести компьютерную реконструкцию исследуемого объекта и проанализировать мельчайшие дефекты в его внутренней структуре. Поэтому к точности позиционирования подвижных элементов системы предъявляются высокие требования, ведь именно от нее зависит минимальный размер дефектов, которые можно будет распознавать. Таким образом, в состав роботизированной установки обязательно должны входить устройства контроля ориентации ее подвижных компонентов. Среди таких устройств находятся инклинометры - датчики, измеряющие абсолютный угол наклона (т.е. угол наклона относительно направления вектора ускорения свободного падения) [6]. Данная статья посвящена вопросам построения подсистемы контроля ориентации роботизированной системы. В частности, освещаются некоторые проблемные моменты, влияющие на точность углов, измеряемых инклинометрическими датчиками. Решение указанных проблем позволит достигать точности, декларируемой производителями сенсоров. Основная часть. Структурная схема роботизированной установки [7] приведена на рис 1. Рис. 1. Основные подсистемы робототехнической установки Она представлена в виде различных функциональных блоков. Для данной статьи интерес представляет подсистема контроля ориентации, в состав которой входят датчики двух типов: инклинометры и энкодеры [8, 9]. Использование указанных сенсоров позволяет получить весь спектр данных, требующихся для контроля пространственной ориентации подвижных частей системы [10]. Детальное описание рассматриваемой подсистемы приводится ниже. Конвертеры «USB - Радиоканал» и «Радиоканал - RS-485» - специальные устройства, играющие роль шлюзов и обеспечивающие прозрачный обмен данными между подсистемой контроля ориентации и персональным компьютером оператора через радиоканал [11, 12]. Применение указанных устройств позволит физически отключить компьютер оператора от шины RS-485, тем самым защищая его от возможных скачков напряжения на линиях связи. Указанные скачки могут возникать из-за наличия следующих факторов. Во-первых, предполагается, что линии передачи данных шины RS-485 имеют большую протяженность, так как оператор и установка должны обязательно находиться в разных помещениях (для защиты персонала от рентгеновского излучения). Во-вторых, часть шины RS-485 будет проходить вблизи источника сильного электромагнитного поля, генерируемого рентгеновским излучателем. Кроме того, использование радиоканала повышает удобство подключения системы к компьютеру оператора [13]. Концентраторы шины RS-485 предназначены для физического соединения устройств в системе с помощью шины RS-485. Кроме того, концентраторы обеспечивают питанием модули датчиков. К концентраторам подключается источник питания, преобразующий сетевое напряжение 220 В в постоянное напряжение, питающее сенсоры [14]. Модуль датчика - измерительное устройство, содержащее в своем составе сам датчик, управляющий микроконтроллер, интерфейсную схему, а также все необходимые дополнительные компоненты [15]. Согласно приведенной структурной схеме в состав системы можно включать различные сенсорные устройства, отличающиеся принципами функционирования и интерфейсами. Однако логика обмена данными с компьютером оператора в любом случае остается неизменной, так как вся непосредственная работа с датчиками выполняется управляющими микроконтроллерами в составе соответствующих модулей. Иными словами, со стороны хоста рассматриваемые модули представляют собой «черные ящики», для которых прописан единый порядок обмена данными, а детали их внутренней реализации не имеют значения. Используются два типа датчиков, позволяющих контролировать точность позиционирования компонентов системы, - инклинометры и энкодеры. Первый тип датчиков измеряет абсолютные углы наклона подвижных компонентов системы. Второй тип предназначен для контроля ориентации валов шаговых двигателей [10]. Далее в статье рассматриваются проблемные моменты, связанные с применением инклинометров, входящих в состав подсистемы контроля ориентации. Использование одноосевых цифровых инклинометров, как правило, связано с необходимостью использования функции арксинуса при вычислении углов, как показано в формуле: (1) В указанной формуле используются следующие обозначения: Dout - текущее показание датчика; Offset - показание датчика, когда угол наклона составляет 0°; Sens - чувствительность датчика. Использование арксинуса при вычислении углов порождает проблему, связанную с падением разрешающей способности сенсора при увеличении величины наклона. Например, в случае использования прецизионного цифрового сенсора, производимого одной из японских компаний, указанную проблему можно проиллюстрировать (табл. 1). Таблица 1 Падение разрешающей способности цифрового сенсора Показания датчика (11-битные значения, Offset = 1024, Sens = 819) Вычисленные углы (град) 1838 83,67 1839 84,34 1840 85,09 1841 85,99 1842 87,17 1843 90 1844 значение не может быть вычислено … значение не может быть вычислено Очевидно, что при приближении угла наклона к 90° разница в градусах между соседними цифровыми показаниями датчика может становиться ощутимой. Таким образом, это негативным образом влияет на точность измерений, а следовательно, и на точность позиционирования компонентов роботизированной установки. Следует отметить, что при углах наклона, близких к 0°, возможно избежать использование арксинуса, так как в этих областях выходной сигнал датчика достаточно легко поддается линеаризации. Однако такой подход неизбежно приводит к появлению ошибки, которая увеличивается с ростом угла наклона датчика, поэтому он не рекомендуется компаниями-производителями сенсоров. Обозначенную проблему, связанную с использованием функции арксинуса, можно решить, производя одновременные измерения абсолютных углов наклона в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Таким образом, для этого требуется 2-осевой инклинометр [16]. В этом случае функцию арксинуса можно заменить на арктангенс, как показано в выражении: (2) В данной формуле DXout - показание сенсора по оси X, DYout - показание по оси Y, SensX и SensY - значения чувствительности датчика по соответствующим осям. Если чувствительность датчиков одинакова для обеих осей, то формула для вычисления угла наклона упрощается: (3) Таким образом, используя 2-осевой инклинометр вместо 1-осевого, можно существенно повысить точность измерений. Поэтому в качестве инклинометров для роботизированной системы были выбраны прецизионные 2-осевые сенсоры. Экспериментальная часть. В процессе построения информационно-измерительной подсистемы роботизированной установки немаловажную роль играет выбор источника питания для сенсорных блоков [17]. Производителями инклинометров явно указывается в технической документации, что этот выбор влияет на итоговую точность измерений. В процессе поиска оптимального варианта по соотношению «доступность - обеспечиваемая точность» было проведено экспериментальное тестирование нескольких источников постоянного напряжения 5 В: - USB-порт персонального компьютера [18]; - DC-DC преобразователь на базе микросхемы E50P [19]; - промышленный блок питания фирмы Purelogic. Схематично экспериментальная установка показана на рис. 2. Рис. 2. Структурная схема экспериментальной установки Сенсорные блоки (построенные на базе инклинометров) были закреплены с помощью специального приспособления и сохраняли свою неподвижность в процессе измерений. Следует отметить, что цель эксперимента - определить стабильность величин углов, измеряемых датчиками в состоянии покоя. В данном случае абсолютно соосное расположение датчиков не является обязательным требованием, так как интерес представляют не сами измеряемые значения, а их флуктуации (определяющиеся используемым источником питания) [20]. Также следует отметить, что в процессе эксперимента специально не использовались какие-либо алгоритмы сглаживания измеренных сигналов. Результаты эксперимента представлены в виде графиков (рис. 3-5), которые иллюстрируют флуктуации величин измеряемых углов (при нахождении датчиков в состоянии покоя). -130,75 -130,8 -130,85 -130,9 -130,95 -131 -131,05 -131,1 0 511 Номер выборки Рис. 3. Сигнал измеряемого угла (питание от USB-порта) -120 -125 -130 -135 -140 -145 -150 -155 0 511 Номер выборки Рис. 4. Сигнал измеряемого угла (питание от DC-DC преобразователя) -124,8 -124,9 -125 -125,1 -125,2 -125,3 -125,4 -125,5 -125,6 0 511 Номер выборки Рис. 5. Сигнал измеряемого угла (питание от промышленного блока питания) Были также вычислены такие статистические характеристики измеряемых сигналов, как математическое ожидание и стандартное отклонение [21]. Результаты показаны в табл. 2. Таблица 2 Вычисленные статистические характеристики Источник питания Математическое ожидание Стандартное отклонение USB-порт персонального компьютера -130,90 0,06 DC-DC преобразователь -133,65 3,73 Промышленный блок питания Purelogic -125,23 0,15 Таким образом, можно сделать вывод, что наибольшую стабильность измеряемых величин обеспечивает питание от USB-порта. Однако использование промышленного блока питания также дает приемлемую устойчивость показаний. В конечном итоге применение техники сглаживания сигналов [22] позволит получить вполне достаточную стабильность измеряемых значений. Выводы. В данной статье были рассмотрены некоторые вопросы построения информационно-измерительной подсистемы робототехнического комплекса, предназначенного для неразрушающего контроля объектов из полимерных композиционных материалов. Была приведена структурная схема всей системы в целом; обозначены отдельные блоки, выполняющие роли функциональных подсистем. Показано место модулей инклинометров в составе подсистемы контроля ориентации роботизированных компонентов установки. Описано базовое математическое обеспечение, на котором основывается функционирование измерительных модулей. Особое внимание уделено тестированию аппаратного обеспечения, в ходе которого было исследовано влияние различных источников питания на стабильность показаний инклинометров. Результаты эксперимента приводятся в графическом и табличном виде. Информация, приведенная в данной статье, может быть полезна в первую очередь широкому кругу разработчиков средств промышленной автоматизации. Кроме того, указанная информация может использоваться инженерами и учеными при проектировании систем контроля и управления беспилотными аппаратами, так как корректное определение параметров ориентации - ключевой фактор успешного функционирования данных объектов.

Об авторах

Р. Р Бакунов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

В. Б Бессонов

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

А. С Мехоношин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Р. Т Мурзакаев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 53

PDF (Russian) - 19

Ссылки

• Ссылки не определены.