Автореферат (1026353), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

ч. министиков), их чувствительных элементов, определены преимущества и недостатки существующих микроджойстиков, на основании которых сформулированы задачи исследования.В главе была произведена классификация существующих джойстиков по основным параметрам (Рисунок 1).По размеруРучные джойстики –управляются кистьюрукиМикроджойстики(министики) –управляются пальцемрукиПо типу выходногосигналаДжойстикиПо принципупостроенияДискретныеджойстикиАналоговые(пропорциональные)джойстикиНа основерезистивныхчувствительныхэлементовПеременныерезисторыРезистивные полосыНа основетензорезисторовНа основе магнитныхчувствительныхэлементовДатчики ХоллаМагниторезисторыВихретоковыедатчикиНа основе энкодеровНа основе оптическихдатчиковРисунок 1.

Классификация джойстиковНа основании анализа существующих микроджойстиков, их преимуществ и недостатков сформулированы основные требования, которым должен удовлетворятьцифровой оптический министик. Они приведены в Таблице 1.Таблица 1.Требования к цифровому оптическому министикуПараметрЗначениеГабаритные размеры, не более20×20×20 ммМасса, не более5гРабочий ход рукоятки, не менее-5..+5 ммЧувствительность, не менее0,1 мм4Таблица 1 (окончание).Требования к цифровому оптическому министикуРазрешение, не менее40 знач/ммНелинейность, не более10%Погрешность определения положения рукоятки, не более 3%Ресурс, не менее2 млн. нажатийЧисло деталейне более 10В конце главы сформулированы задачи исследования, заключающиеся в разработке математической модели оптических министиков, проверке модели на адекватность, определении оптимальных параметров конструкции оптических министиков,технической реализации оптических министиков, разработке методов и оборудованиядля исследования эксплуатационных характеристик оптических министиков – функции преобразования и эксплуатационного ресурса, экспериментальном исследованииэксплуатационных характеристик и доработке конструкции с целью их повышения,разработке рекомендаций по проектированию оптических министиков различногоназначения и их внедрению.Во второй главе исследован принцип действия министика и разработана математическая модель оптического министика.Устройство оптического министика представлено на Рисунке 2.

Существуетдве разновидности оптических схем министиков: с общим излучателем и с общимприемником.Рисунок 2. Оптическая схема министиков с общим излучателем света (слева) и общим приемником света (справа): 1 - печатная плата; 2 - корпус; 3 - упругодеформируемый элемент; 4 - управляющая рукоятка;5 - источник света; 6- фотоэлектрическийпреобразователь; 9 - светоотражающая поверхностьДля исследования была разработана однокоординатная модель оптическогоминистика. Для изучения функционирования министика его упругодеформируемыйэлемент был разрезан, а затем исследован на специальном стенде и сфотографирован(Рисунок 3).

На основании этого были сформулированы допущения для математической модели.512354Рисунок 3. Оптический министик в разрезе: 1 – светоотражающая поверхность,2 – упругодеформируемый элемент, 3 – общий излучатель, 4, 5 – фотоприемникиМатематическая модель основана на следующих допущениях:- рукоятка министика жесткая и не деформируется при нажатии;- рукоятка министика отклоняется в плоскости расположения фотоприемников;- рукоятка министика соединена со светоотражающей поверхностью (СОП)под углом 90º и качается на мнимой оси так, что луч света перемещается от одногофотоприемника к другому;- распространение света в системе линейное;- источник света точечный;- отраженный от СОП свет образуем световое пятно с центром в точке падения отраженного луча;- интенсивность освещенности пятна распределена по нормальному закону.Схема прохождения светового луча представлена на Рисунке 4.Рисунок 4.

Схема прохождения светового лучаКоордината центра пятна относительно центра министика может быть определена выражением(1)где: µ – расстояние между центрами излучателя и светового пятна, hk – расстояние от излучателя до светоотражающей поверхности, Hp – длина рукоятки, L - величина отклонения рукоятки.6Согласно допущению, интенсивность освещенности светового пятна распределена по нормальному закону:(2)где: fE(r) – функция распределения интенсивности света в пятне, σ – дисперсиясветового пятна, k – коэффициент пропорциональности, r – расстояние от фотоприемника до излучателя.Следовательно, освещенность фотоприемника может быть определена как:(3)где: Eeапертуры – освещенность фотоприѐмника, Eeполная – полная освещенностьсветового пятна, r0 – расстояние от фотоприемника до излучателя, rФД – размер фотоприемника.На основе однокоординатной модели министика была разработана трехмернаядвухкоординатная модель оптического министика.

Схема приведена на Рисунке 5.Рисунок 5. Схема двухкоординатного министикаСогласно допущению, интенсивность света в пятне распределена по нормальному закону:(4)где: fE(x,y) – функция распределения интенсивности света в пятне, k – коэффициент пропорциональности, σ1, σ2 – дисперсия светового пятна, x, y – расстояние отфотоприемника до излучателя, µx, µy – расстояние между центрами излучателя и светового пятна.Следовательно, освещенность фотоприемника может быть определена как:7(5)где: Eапертуры ФД – освещенность фотоприѐмника, Eeполная – полная освещенностьсветового пятна, x1, y1 – расстояние от фотоприемника до излучателя, r1, r2 – размерыфотоприемника, fE(x,y) – функция распределения интенсивности света в пятне.В реальном министике рукоятка и светоотражающая поверхность немного деформируются.

Для исследования влияния деформации было проведено моделирование накладки в системе SolidWorks (Рисунок 6).Рисунок 6. Деформация упругодеформируемого элементаРезультаты моделирования показали, что деформация накладки вносит экспоненциальные изменения: угол наклона светоотражающей поверхности министика исмещение пятна меньше, чем в случае с жесткой накладкой.(())(6)где: µ – расстояние между центрами излучателя и светового пятна, КX – коэффициент деформации, hk – расстояние от излучателя до светоотражающей поверхности, Hp – длина рукоятки, L - величина отклонения рукоятки.Моделирование работы министиков было проведено в специально разработанной программе MinistickMatModel3D (Рисунок 7).Рисунок 7.

Скриншот программы MinistickMatModel3D8В третьей главе разработана структурная схема цифровых оптических министиков и алгоритмов их функционирования, а также выполнена разработка методов иалгоритмов экспериментального исследования характеристик оптических министиков.Общая структурная схема цифровых министиков представлена на Рисунке 8.Источник(и)светаМодулятор света(упругодеформируемый элемент)УправлениепитаниемисточниковсветаПриемник(и)светаИзмерительная схемаАналогоцифровойпреобразовательМикропроцессор/микроконтроллерВыход(цифровойинтерфейс)Рисунок 8. Общая структурная схема цифровых оптических министиковАлгоритм функционирования цифровых оптических министиков представленна Рисунке 9.НачалоU0i=0, i=1..Nиk=1i=1k>N, где N - числоциклов замераВключить i-йизлучательДаПроизвестиусреднение показанийПроизвести измерениенапряжения Uik наприемникеNИUi Отключить i-йизлучательДаUi 1Nik U i0Измерениепроводится первыйраз?i=i+1i>Nи, где Nи – Числоизлучателей?НетНетНетПроизвести расчеткоординат X и YДаУстановить нулевыезначенияU0i=UiНетЗавершение работы?ДаКонецРисунок 9.

Алгоритм работы оптических министиков9Расчет координат X и Y для министиков производится по формулам:- для министиков с 3 каналами измеренияX  (U3  U 2 )  sin(60 )Y  (U3  U 2 )  sin(30 )  U1(7)- для министиков с 4 каналами измеренияX  U3  U1Y  U4  U2(8)- для министиков с 6 каналами измеренияX  (U 6  U5  U3  U 2 )  sin(60 ) Y  U 4  U1  (U3  U 2  U5  U 6 )  sin(30 )(9)где Ui – напряжение на i-м измерительном канале.Далее были разработаны алгоритмы работы цифрового оптического министикав качестве полиморфного переключателя. Полиморфный переключатель способензаменять различные коммутационные устройства, а его функциональность можетбыть изменена программно в реальном времени.

Были разработаны алгоритмы функционирования министика в качестве аналогового (пропорционального) джойстика,движкового регулятора, кнопок с фиксацией и без фиксации.В главе были разработаны методы и алгоритмы исследования эксплуатационных характеристик министиков, определены контрольные параметры.Основной рабочей характеристикой министика является его функция преобразования – зависимость полезного сигнала министика от величины отклонения рукоятки министика. Методом исследования функции преобразования является регистрация показаний министика в точках с заданным отклонением рукоятки министика поосям X и Y. Отклонение рукоятки задается величиной отклонения от центра L и углом отклонения φ. Для определения качества функции преобразования министикаопределены параметры: амплитуда, разрешение, точность, нелинейность, гистерезис.Второй исследуемой характеристикой министика является эксплуатационныйресурс, выражающийся в количестве нажатий рукоятки министика до его отказа.

Дляисследования ресурса применяется метод многократного циклического ускоренноговоздействия на министик нагрузкой, имитирующей нажатие пальцем. Отказом министика считается разрушение его конструкции или изменение функции преобразования, делающее невозможным дальнейшее использование министика для управленияобъектом.

Зависимость показаний министика от количества нажатий может бытьоценена через коэффициент изменения показаний Kи, определяющий расхождениепоказаний министика до испытаний и после.В четвертой главе рассматриваются вопросы технической реализации оптических министиков, разрабатывается оборудование для исследования эксплуатационных характеристик оптических министиков, проводится экспериментальное исследование разработанных оптических министиков и проверка математической модели наадекватность, рассматриваются применения оптических министиков в устройствахуправления робототехникой.На основе общей структуры оптического министика, разработанной в главе 3,требований к министику, сформулированных в главе 1, и с учетом требованийПНИЭР RFMEFI57914X0087, была произведена техническая реализация оптическихминистиков. Принципиальная схема и фотография министика представлена на Рисунке 10.10а)б)Рисунок 10.

Техническая реализация оптических министиков: а) принципиальная схема, б) внешний видДля исследования функции преобразования министика был разработан испытательный стенд. Стенд 1 содержит поворотное основание 4, на котором закрепляетсяисследуемый министик 3, и отклоняющий элемент 2, позволяющий задавать величину отклонения рукоятки министика. Для обеспечения точности позиционированиявращение основания и отклоняющего элемента осуществляются шаговыми двигателями с обратной связью на основе абсолютных энкодеров. Схема и внешний видстенда представлены на рисунке 11.Управляющий микроконтроллерный модульа)10Мультиплексорб)10102SelectПКUSBУправляющиймикроконтроллерДатчик углаповоротаотклоняющейрукояткиШаговыйдвигательповоротарукояткиДрайвер ШДповоротарукояткиДрайвер ШДповоротаоснования134Датчик углаповоротаоснованияШаговыйдвигательповоротаоснованияТестируемыйминистикSPIРисунок 11.

Испытательный стенд: а) структурная схема, б) внешний видДля исследования эксплуатационного ресурса министиков был разработан специализированный испытательный стенд для исследования ресурса, способный обеспечивать многократные циклические воздействия на министик, имитирующие эксплуатационную нагрузку (нажатие пальцем). Схема и внешний вид стенда представлены на Рисунке 12.11а)13ШаговыйдвигательповоротаоснованияТестируемыйминистикSPIУправляющиймикроконтроллерб)4Драйвер ШДповоротаоснованияUSBПК2ШаговыйдвигательповоротарукояткиДрайвер ШДповорота рукояткиУправляющий модульРисунок 12. Стенд для исследования эксплуатационного ресурса: а) структурная схема, б) внешний видДля исследования функции преобразования министиков были изготовлены несколько экспериментальных образцов (ЭО) министиков с различными оптическимисхемами. Функции преобразования ЭО министиков были получены экспериментально с помощью универсального стенда.

Характеристики

Список файлов диссертации