IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
РАДИОУПРАВЛЯЕМАЯ ГУСЕНИЧНАЯ МАШИНА ДЛЯ ВИДЕОИНСПЕКЦИИ ТРУДНОДОСТУПНЫХ И ОПАСНЫХ МЕСТ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Постановка проблемы. Данная тема на сегодняшний день очень современна, актуальна и достаточно востребована. Она широко освещается на сайтах, содержащих материал о технике, предназначенной для выполнения задач специальных подразделений, служб и других структур, нуждающихся в автоматизированном оборудовании, обеспечивающем непрерывное поступление видеоинформации и при этом исключающее непосредственное присутствие человека.
Цель представляемого проекта – создание авторской радиоуправляемой модели машины-исследователя с гусеничным движителем для дистанционного исследования открытых и закрытых пространств. Для этого машина должна быть оборудована видеокамерой и передатчиком. Возможна также передача звука с места наблюдения.
Задача работы: изучив уже известные технические решения, осуществить изготовление машины путём сборки модели как из деталей «конструктора», где в данном случае в качестве элементной базы использовались оригинальные детали авторского исполнения, а также готовые промышленные узлы и механизмы.
Гипотеза – возможность создания машины-исследователя с видеокамерой на основе элементной базы, имеющейся в распоряжении автора и с учётом изготовления оригинальных деталей собственной разработки.
Объект исследования– конструкторские решения по созданию модели, способной выполнять поставленные задачи, то есть передвигаться в заданном пространстве и осуществлять передачу изображений из этих недоступных или опасных для человека мест.
Предмет исследования – возможности созданной базовой системы (с учётом особенностей гусеничного хода) и результаты работы радиоуправления и видеокамеры с передатчиком.
Методы исследования – изучение теоретического материала с целью подготовки к разработке конструкторских решений по выбранной тематике, практические работы по изготовлению модели, её тестирование и устранение замеченных недостатков. В процессе изготовления отдельные узлы модели после их тестирования были подвергнуты необходимым корректировкам. В итоге модель прошла успешные испытания.
При работе над выбранной темой были использованы современные материалы: учебная литература по прикладной физике, отдельным вопросам инженерии и робототехники, а также интернет.
Практическая значимость работы: автор выполнил поставленную задачу и изготовил машину собственной конструкции, снабжённую комплексом для получения и передачи видеоизображения. Это позволяет говорить о том, что в данном случае были решены не только важные конструкторские задачи (получение изображений из тех мест, куда человек не может попасть физически или ему там опасно находиться), но и доказана возможность действительно плодотворной творческой деятельности.
Примерная область применения подобных разработок: обследование помещений на предмет поиска подозрительных предметов или при опасности для здоровья (отравляющие вещества, задымление, радиация), наблюдение для контроля общей ситуации (МЧС, военные, полиция), работа коммунальных служб (поиск дефектов внутри трубопроводов) и т. п.
Новизной работы стало создание радиоуправляемой гусеничной машины повышенной проходимости для видеоинспекции труднодоступных и опасных мест. Назначение машины – передача видеосигнала (и звука).
2. Теоретический материал
2.1. Типы движителей
Движитель — устройство, преобразующее энергию двигателя или внешнего источника в полезную работу необходимую для перемещения транспортного средства. Он является или частью машин, или конструктивным элементом двигателя.
Некоторые виды движителей для движения по суше
Колёсный. Примеры: колёса автомобиля, велосипеда, локомотива и др.
Пневмокатковый. Используется высокоэластичная резиновая шина особой конструкции. Применяют: на болотоходах для работы в особо тяжёлых условиях; снежная целина; песок; на тракторах, не повреждающих почву. Повышенная проходимость на сильно пересечённой местности или на грунтах с низкой несущей способностью (малое удельное давление). Но грузоподъёмность низкая. Быстрый износ на твёрдых покрытиях.
Гусеничный. Примерами являются гусеничные трактора, танки, некоторые модели вездеходов.
Полугусеничный. Одновременно используют колёса и гусеницы.
Лыжно – гусеничный.
Конечности (ноги). Используются у шагающих механизмов (роботы - андроиды, машины - шагоходы, экзоскелеты, шагающие экскаваторы, шагающие платформы и т.д.).
Сегменты «туловища». Вариант существует у ползающих устройств, типа «змея» [1].
2.2. Гусеничный движитель
Для нашего проекта из различных вариантов наземных движителей был выбран оптимальный вариант, способный обеспечивать повышенную проходимость нашей машины. А именно, гусеничный движитель. Поэтому рассмотрим этот вопрос подробнее.
Гусеничные движители развивались более медленными темпами. Но благодаря тому, что гусеницы имеют большую площадь контакта с грунтом и способны развивать высокую силу тяги, трактора с таким двигателем издавна стали применяться как база тяговых или погрузочных машин для работы на снегу, влажных почвах (то есть, с низкой несущей способностью). Данный движитель – это движитель для самоходных машин, в котором тяговое усилие создаётся за счёт перематывания гусеничных лент состоящих из отдельных звеньев, называемых траками. Такой движитель обеспечивает повышенную проходимость самоходного средства. Большая площадь соприкосновения гусениц с поверхностью обеспечивает низкое давление на грунт: 31—122 кН/м² (0,3—1,2 кгс/см²), что меньше давления ноги человека. Тем самым гусеничный движитель предохраняется от глубокого погружения в грунт [2].
Основная часть гусеничного движителя - гусеничная лента
Гусеничная лента (гусеница) — замкнутая сплошная лента или цепь из шарнирно-соединённых звеньев, применяемая в гусеничном движителе.
На внутренней поверхности гусениц имеются впадины или выступы, с которыми взаимодействуют ведущие колёса машины. Внешняя поверхность гусеницы снабжена выступами (грунтозацепами), которые обеспечивают сцепление с грунтом.
Для увеличения сцепления гусеницы на грунтах с низкой несущей способностью используются съёмные шпоры. Гусеницы могут быть металлическими, резино-металлическими и резиновыми. Наибольшее распространение получили металлические гусеницы с разборными или неразборными звеньями.
2.3. Принципы радиосвязи
Принципы радиосвязи: переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает появление электромагнитного поля, также изменяющееся с высокой частотой, которое распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны, представляющей собой совокупность изменяющихся электрических и магнитных полей порождающих друг друга.
Для создания такого высокочастотного сигнала можно применить генератор на транзисторе. Он создаёт незатухающие колебания. Это будет несущая частота. Но, естественно современная радиосвязь уже давно ушла от точек и тире, которые можно было бы передавать, прерывая этот сигнал.
В настоящее время высокочастотный сигнал модулируют, для того чтобы он мог содержать дополнительную информацию. Это может быть амплитудная модуляция, частотная, фазовая, импульсная и другие. В нашем случае приёмник и передатчик также должны отличать свой сигнал от чужого среди множества других сигналов в окружающем нас пространстве.
Общая схема «Принципы радиосвязи» представлена на рис. 1. На схеме представлена модуляция и обратный процесс выделения модулирующего сигнала – детектирование.
Все эти сложные преобразования необходимы, так как интенсивность волны пропорциональна 4 степени частоты и убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от антенны [3, 4]. То есть высокочастотный сигнал хорошо распространяется в пространстве, а низкочастотный – нет.
2.4. Принцип действия видеокамер
Цифровая матрица разбита на пиксели — светочувствительные ячейки. При попадании света на них появляется электрический сигнал, величина которого пропорциональна интенсивности света.
Для получения цветного снимка каждую ячейку матрицы покрывают синим, красным или зелёным светофильтром. Фильтры матрицы устанавливают по четыре: два зеленых, синий и красный, т.к. человек лучше воспринимает зеленый цвет. Фильтр пропускает свет только своей длины волны и на матрице фиксируется изображение, которое обрабатывает процессор камеры.
Помимо вышеупомянутой матрицы, относящейся к однослойным, существуют также трехслойные матрицы. Каждая ячейка в них способна воспринимать сразу три цвета, в зависимости от длины волны светового потока [5]. Рис. 2 – принцип действия видеокамер.
Применение мобильных роботов с видеокамерами на радиоуправлении в достаточной степени представлено в Интернете. Это действительно нужные устройства, нашедшие свою сферу применения. Такие роботы с дистанционным видеонаблюдением можно применять, например, для проведения внутри труб видеодиагностики, панорамной съёмки [6].
3. Практическая часть работы
3.1. Обоснование выбора типа движителя
Шагающие модели транспортных средств достаточно перспективны и имеют свои преимущества. Изготовленная в прошлом учебном году машина -шагоход прошла успешные испытания (рис. 3). Она может использоваться для особых заданий МЧС и других подобных структур, выполняя транспортные функции. Но получать качественное изображение с видеокамеры в режиме on-line невозможно, так как в режиме шагания корпус машины постоянно меняет своё положение в пространстве по высоте.
Изготовить гироскопический стабилизатор оказалось слишком сложно. Поэтому для выполнения задач видеонаблюдения была нужна другая модель, с другим типом движителя, дающим машине плавный ход.
В результате была изготовлена модель устройства для видеоинспекции на гусеничном ходу.
За основу было взята радиоуправляемая игрушка, которая подверглась значительным видоизменениям, требуемым для выполнения задач, которые должен решать мобильный робот с регистрирующей видеокамерой.
3.2. Изготовление радиоуправляемой гусеничной машины для видеоинспекции труднодоступных и опасных мест.
3.2.1. Сборка модели
Изготовленная модель представлена в разных ракурсах на рисунках 4. Этапы изготовления объёмного несущего шасси из алюминиевой плоской пластины представлены на рисунках 5. После всех этапов формовки шасси имеет сложный объёмный профиль, что представлено на фотографиях.
Наибольшие затраты времени были на разработку электрической схемы, выполнения её чертежа и изготовление электронных узлов.
3.2.2. Краткое описание работы электронных узлов
Принципиальная электрическая схема приведена на рисунке 6.
Блок А1. Передающая цветная видеокамера с несущей частотой передачи 1,2 ГГц. К камере подключен электретный микрофон для передачи вместе с изображением звука.
Электре́тный микрофон по принципу действия похож на микрофон конденсаторного типа, в котором используется в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения пластина из электрета. То есть в данном случае используется способность таких материалов сохранять поверхностный заряд в течение длительного времени после воздействия на них [7].
Блок А2. Повышающий импульсный преобразователь. Рисунок 7 а, б. Напряжение аккумуляторной батареи (АКБ) 3,7 В повышается до рабочего напряжения электронных узлов – 5В. Преобразователь состоит из двух модулей, включенных параллельно для увеличения рабочего тока до 1 ампера. Каждый из двух модулей обеспечивает максимальный ток 500 мА. Вся электроника вместе с моторами потребляет ток около 600 мА. Время автономной работы от полностью заряженной АКБ не менее 1 часа при одновременном перемещении и передаче изображения со звуком. И не менее 6 часов в режиме передачи только звука и изображения.
Блок А3. Аккумуляторная литий – ионная батарея, установленная на машине, представлена на рисунке 8. Контроллер заряда АКБ обеспечивает оптимальный режим заряда АКБ (рис. 9). Режим заряда индицирует красный светодиод. Окончание зарядки индицирует синий светодиод. При достижении на АКБ напряжения 4,2 В заряд автоматически прекращается. Для зарядки к контроллеру подключается кабель с разъемом микро USB.
Моторы М1 и М2 – моторы левой и правой гусениц соответственно.
Несущая частота команд дистанционного управления 40 МГц.
Приёмник команд дистанционного управления - рисунок 10 а, б. Сигнал, принятый антенной через развязывающий конденсатор С4, попадает на приемно-усилительную часть, состоящую из колебательного контура и сверхрегенеративного детектора. Колебательный контур, образованный катушкой L1 и конденсаторам С5 настроен на частоту передатчика. Усиление и детектирование сигнала осуществляет транзистор VT1 и соответствующие электрические цепи, задающие режим его работы. Усиленный управляющий сигнал через цепочку состоящую из R10 и С9 приходит на вход 14 дешифратора команд U1. К соответствующим выводам дешифратора подключаются цепочки из резисторов и конденсаторов, задающие его режим работы. С выходов дешифратора команд сигналы управления приходят на два идентичных усилителя моторов М1 и М2. Усилители построены по схеме Н - моста на биполярных транзисторах. С выводов дешифратора 6 и 7 через резисторы R6 и R7 управляется мотор левой гусеницы. Команды «вперед» и «назад». С выводов дешифратора 10 и 11 через резисторы R8 и R9 происходит управление мотором правой гусеницы. Команды «вперед» и «назад». Конденсаторы С2, С3 и С7 осуществляют фильтрацию помех по цепям питания. Конденсатор С13 облегчает режим работы повышающего преобразователя при пиковых нагрузках, предотвращая просадки напряжения. Включение питания осуществляется выключателем SA1. Моргающий двухцветный светодиод (синий - красный) показывает включение питания.
Пульт управления обеспечивает одновременную подачу до двух независимых команд управления движением. Возможно индивидуальное управление каждой гусеницей. Также пульт обеспечивает прием видеосигнала и отображение его на своем цветном экране. Работающий пульт показан на рисунках 11.
Для прослушивания звука к пульту следует подключить наушник в соответствующее гнездо на задней стенке. Работа пульта осуществляется от 6 пальчиковых батареек формата АА.
4. Заключение
В результате была изготовлена авторская гусеничная радиоуправляемая модель машины-исследователя снабжённая цветной видеокамерой с передатчиком для дистанционного исследования местности или объектов с помощью видеосигнала. При этом предусмотрена возможность получения звукового сигнала с места наблюдения.
Машина-исследователь может понадобиться для МЧС, военных, спецслужб, археологов и для представителей других профессий (для исследования планет, для использования в «Умном доме»).
5. Литература
1. Википедия. Виды движителей
2. Википедия. Гусеничные транспортные средства
3. Пёрышкин А.В., Гутник Е.М. Физика -11. – М.: Дрофа, 2017.
4. Мякишев Г. Я. , Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика -11. – М.: Просвещение, 2017.
5. www.texinvest.ru/cctv2/cctv2009.04.29.htm
6. vistaros.ru/.../spetsialnyie-funktsii-robotov.html
7. Википедия. Электретный микрофон
6. Приложения «Наглядный материал»
Рис 1 Принцип действия радиосвязи
Рис. 2 – Принцип действия видеокамер
Рис. 3 – Модель «Машина – шагоход»
Рис. 4 - Машина – исследователь
Рис. 5 – Изготовление объёмного несущего шасси с полостью для приёмника и аккумуляторной батареи
Рис. 6 – Схема электрическая принципиальная
Рис. 7 - Повышающий импульсный преобразователь
Рис. 8 – Аккумуляторная батарея Рис. 9 –Контроллер заряда АКБ
Рис. 10 а, б- Приёмник команд дистанционного управления
Рис. 11 а, б – Работа пульта и его монитора