10. Сенсорные элементы, датчики, чувствительные элементы и устройства мехатронных систем.

Перспективы развития мобильной робототехники связаны с интеллектуализацией устройств управления и сенсоров, что позволяет повысить качество проводимых операций и автономность их выполнения.

Для принятия решений мобильным роботом используются системы технического зрения, локационные датчики, датчики крена-дифферента, фотоимпульсные датчики скорости и многие другие, относящиеся к управлению режимами работы робота и диагностики состояния того объекта, который обследует мобильный робот.[12]

Таблица 10.1

Сенсоры, используемые в прототипе мобильного робота.

Сенсоры	Функциональное описание
Акселерометры	Двухкоординатные акселерометры «Analogue Device ADXL 205» для определения фактических параметров движения мобильного робота при его транспортной навигации
Фотоимпульсные датчики	Фотоимпульсные датчики «ЛИР-21» с разрешающей способностью 1000 имп/об для измерения параметров движения
Ультразвуковые датчики	Однозондные релейные ультразвуковые датчики ”Sirio” для определения дефектов трубы и обнаружения препятствий
Микроволновый датчик	Однозондный релейный микроволновый датчик «Falcon MWS-1» для определения дефектов трубы и обнаружения препятствий
Видеокамера	Видеокамера «Logitech» для изучения внутреннего состояния трубы и её конфигурации. Может работать как в непрерывном , так и в дискретном режимах

Сенсорный модуль прототипа мобильного робота «ИРИС-1» с компьютерным управлением включает ультразвуковые и фотоимпульсные датчики, микроволновый датчик, видеокамеру, набор двухмерных акселерометров (табл. 10.1)

Для эффективного функционирования видеокамеры внутри трубы на роботе, имеется источник дополнительного освещения.

Мобильный робот оснащен системой дистанционного управления с использованием сети Интернет.

Для надежной работы всего ММ в целом сигналы от датчиков обратной связи должны передаваться в двоичном коде. В соответствии с этим требованием структура мехатронного датчика может быть следующей (рис. 10.1) Внешнее механическое воздействие (сила, давление, деформация) действует на чувствительный элемент, который преобразовывает его в электрический сигнал. Чувствительный элемент не- посредственно связан первичным аналоговым преобразователем, который усиливает электрический сигнал до уровня, необходимого для нормальной работы аналого-цифрового преобразователя.

Во время периодического опроса мехатронных датчиков всей ММС запрос на рассматриваемый датчик поступает на входной интерфейс, который открывает канал для получения информации от выходного интерфейса. Для уменьшения габаритов мехатронных модулей ММС сигналы от системы управления и обратно идут по одной шине.

Оснащение ММС мехатронными датчиками позволяет вводить в систему управления информацию о внешних воздействиях различной физической природы (рис.10.2).

Рис. 10.1. Структурная схема мехатронного датчика микромеханического модуля

При круиз-контроле автомобиля впереди устанавливается датчик, который измеряет скорость транспортного средства и расстояние.

Датчик может быть оптического или радарного типа, но радарный датчик предпочтительней, поскольку он не подвержен влиянию погодных условий, как оптический датчик.

Рис. 10.2. Расположение датчиков на автомобиле

1 — датчик конфигурации впускного коллектора с управляемой геометрией, 2 — датчик тахометра, 3 — датчик положения распределительного вала, 4 — датчик нагрузки двигателя, 5 — датчик положения коленчатого вала,6 — датчик крутящего момента двигателя, 7 — датчик количества масла, 8 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 9 — датчик скорости автомобиля, 10 — датчик давления масла, 11 — датчик уровня охлаждающей жидкости, 12 — радарный датчик системы торможения, 13 — датчик атмосферного давления, 14 — радарный датчик системы предотвращения столкновений, 15 — датчик скорости вращения ведущего вала коробки передач, 16 — датчик выбранной передачи в коробке передач, 17 — датчик давления топлива в рампе форсунок, 18 — датчик скорости вращения руля, 19 — датчик положения педали, 20 — датчик скорости вращения автомобиля относительно вертикальной оси, 21 — датчик противоугонной системы, 22 — датчик положения сиденья, 23 — датчик ускорения при фронтальном столкновении, 24 — датчик ускорения при боковом столкновении, 25 — датчик давления топлива в баке, 26 — датчик уровня топлива в баке, 27 — датчик высоты кузова по отношению к шасси, 28 — датчик угла поворота руля, 29 — датчик дождя или тумана, 30 — датчик температуры забортного воздуха, 31 — датчик веса пассажира, 32 — датчик кислорода, 33 — датчик наличия пассажира в сиденье, 34 — датчик положения дроссельной заслонки, 35 — датчик пропусков воспламенения, 36 — датчик положения клапана рециркуляции выхлопных газов, 37— датчик абсолютного давления в впускном коллекторе, 38 — датчик азимута, 39 — датчик скорости вращения колес, 40 — датчик давления в шинах

10.1. Мехатронные модули микроперемещений

Автоматические электромеханические устройства, предназначенные для перемещения миниатюрных объектов на расстояние менее 1 мм, можно на­звать системами микроперемещений. Сфера их применения в последнее время постоянно расширяется. Это связано с интенсивным развитием таких областей приборостроения как микроэлектроника и микромеханика, оптика и оптоэлектроника, которые служат мощным стимулом прогресса робототехники и ком­пьютерной техники.

Системы микроперемещений должны обладать достаточно высокой точно­стью: минимальный шаг обычно не превышает 1% от максимального хода. Для создания устройств с такими характеристиками актуальны принципы мехатроники. Они базируются на соединении в единую систему механических, электронных и электромеханических частей. Основные преимущества мехатронных систем микромеханики заключаются в компактности модулей и улучшении динамических характеристик вследствие упрощения кинематиче­ских цепей, а также высокой надежности и помехозащищенности.

Одним из перспективных видов приводов мехатронных систем микропере­мещений (ММС) являются пьезоэлектрические приводы, которые позволяют через упругие кинематические механизмы сообщать выходным звеньям движение с необходимыми траекториями.

ММС в связи с чрезвычайно малыми перемещениями рабочих органов и высокими требованиями к точности отработки их движений (до ±0.1 мкм) должны быть оснащены высокочувствительными датчикам o6paтной связи. Одно из главных требований к ним - это минимальные габариты, позволяющие встроить датчики в элементы микромеханической системы. Сочетание высокой точности и достоверности информации обратной связи с миниатюрными размерами датчиков усложняет задачу создания ММС. При обычной схеме построения системы управления сигналы с датчиков поступают в блок управления, располагающийся отдельно от механического блока. В связи с миниатюрными размерами приводов ММС аналоговые сигналы обратной связи и управляющие сигналы оказывают взаимное влияние, что резко ухудшает достоверность информации и управления. Поэтому логично было бы располо­жить преобразователи аналоговых сигналов, поступающих с датчиков, в дискретные непосредственно рядом с датчиком, т.к. достоверность передачи дис­кретных сигналов на порядок выше, чем аналоговых. Такое решение приводит к появлению следующего технического противоречия: для повышения точности всего микропривода необходимо оснастить датчики преобразователями сигналов в непосредственной близости от них, что при этом не должно приво­дить к увеличению габаритов ММС. Преодоление этого противоречия возможно двумя путями.[5]

Использование оптических систем передачи информации: подвижная часть модуля оснащается зеркалом, а оптический сигнал воспринимается датчиком, расположенным на неподвижной части ММС. Такие системы с неподвижными датчиками могут определять координаты подвижных элементов.

Использование миниатюрных интегральных электронных устройств, кремниевые подложки которых являются несущими элементами упругих механических систем. Такие системы дают информацию о механических напряжениях, деформациях и ускорениях.

Наиболее перспективное направление в этой области состоит в работе мехатронных микромеханических модулей (ММ), из которых образуется ММС. Суть мехатронного подхода к проектированию заключается в интеграции в единый функциональный модуль приводной, информационной и управляющей составляющих электромеханической системы. Такой ММ может состоять из следующих элементов.

1. Микроэлектромеханический привод.

2. Упругие механические передачи.

3. Миниатюрные датчики обратной связи.

4. Первичные преобразователи электрических сигналов, снимаемых с датчиков.

5. Интерфейсы аналого-цифровые преобразователи.

Для манипуляционных систем целесообразно иметь обратную связь по следующим параметрам

− по перемещениям рабочего органа (выходного звена),

− по скоростям и ускорениям в характерных точках системы.

− по деформациям (что эквивалентно механическим напряжениям), характерных точках системы.[14]