PROJEKT BROB

Dálkově řízené minivznášedlo (B8)

Autoři projektu Vedoucí projektu

ppprpreddsaprprojektu

Drahoš Dominik, ID 165825

Steklý Jakub, ID 164405

Zimmert Martin, ID 164443

Klíma Jaroslav, ID 164855

Ing. Vlastimil Kříž

2

1 Obsah 2 Zadání ................................................................................................................................. 3

3 Úvod ................................................................................................................................... 3

4 Princip vznášedla ................................................................................................................ 3

4.1 Vzduchový polštář ....................................................................................................... 3

4.2 Pohyb vznášedla .......................................................................................................... 3

4.3 Řízení vznášedla .......................................................................................................... 4

5 Konstrukce vznášedla ......................................................................................................... 4

5.1 Modelování .................................................................................................................. 4

5.2 Volba materiálu ........................................................................................................... 5

5.3 Pohon vznášedla .......................................................................................................... 6

5.3.1 Motory .................................................................................................................. 6

5.3.2 Vrtule .................................................................................................................... 6

5.4 Napájení ....................................................................................................................... 9

5.5 Ovládání (zatáčení) ...................................................................................................... 9

5.6 Kamera ......................................................................................................................... 9

5.7 Ultrazvukové čidlo vzdálenosti ................................................................................... 9

5.8 Navržená DPS pro buzení motorů ............................................................................... 9

5.9 Raspberry Pi ................................................................................................................ 9

6 DPS pro buzení motorů .................................................................................................... 10

6.1 Popis .......................................................................................................................... 10

6.2 Schéma....................................................................................................................... 10

6.3 Návrh plošného spoje ................................................................................................ 10

6.1 Součástky ................................................................................................................... 11

7 Program ............................................................................................................................ 11

7.1 Stručný popis ............................................................................................................. 11

7.2 Zdrojové soubory ....................................................................................................... 11

8 Komunikace ..................................................................................................................... 12

8.1 Blokové schéma ......................................................................................................... 12

8.2 Popis .......................................................................................................................... 12

9 Fotodokumentace ............................................................................................................. 13

10 Závěr ................................................................................................................................. 15

11 Zdroje ............................................................................................................................... 15

3

2 Zadání

Seznamte se s existujícími řešeními malých vznášedel. Navrhněte a postavte vlastní

vznášedlo s ohledem na nízkou cenu a robustnost konstrukce. Vznášedlo bude dálkově řízeno

pomocí vytvořené aplikace z PC přes WiFi, přičemž bude operátorovi zprostředkovávat obraz

z kamery na palubě. Jako hlavní řídicí platformu zvažte použití Raspberry PI.

3 Úvod

Jako projekt jsme si zvolili dálkově řízené vznášedlo, který jsme si sami vymysleli,

z důvodu, že se nám nelíbilo ani jedno zadání projektů. Celý úkol jsme si rozvrhli do pěti

částí, kdy každý dělal nějakou část nebo jsme se vzájemně vystřídali. Jako první úkol bylo

nastudovat něco o principu vznášedel, jelikož jsme moc netušili, jak jsou některé konstrukční

prvky řešeny. Druhý bod bylo navrhnout nějaký základ, jak bude naše vznášedlo vypadat,

z jakého materiálu bude sestrojeno a jaké použijeme komponenty. Třetím bodem byla

samotná konstrukce vznášedla a návrh plošného spoje pro buzení motorů a další funkce, které

jsme chtěli zakomponovat. Jako další úkol bylo naprogramování microkontroleru a ošetření

všech chyb. Poslední bod byl kompletace vznášedla, připojení elektroniky a následné

designové úpravy.

4 Princip vznášedla

Vznášedlo se pohybuje na vzduchovém polštáři z mírně stlačeného vzduchu, díky

kterému snadno překonává lehké nerovnosti a překážky. Díky tomu, že se vznášedlo pohybuje

pouze po vzduchu a země se prakticky nedotýká a nezáleží, na jakém povrchu se pohybuje.

Dynamika vznášedla je bližší letadlům než lodím a automobilům.

4.1 Vzduchový polštář

Vznášedlo pluje na polštáři vzduchu, který je naháněn vrtulí pod něj. Vzduchová kapsa pod

vznášedlem je obklopena pláštěm, aby vzduch zpod vznášedla neunikal.

4.2 Pohyb vznášedla

Po nadzdvihnutí se vznášedlo může pohybovat vpřed. Toto nám zajišťuje druhý motor, který

vznášedlo posouvá. Řízení vznášedla

4

4.3 Řízení vznášedla

Vznášedlo se řídí pomocí systému kormidel/klapek, která jsou umístěna za vrtulí. Tyto klapky

po natočení do určitého směru, kterým chceme jet, změní směr vzduchu a vznášedlo díky

tomu vznášedlo zatočí.

5 Konstrukce vznášedla

5.1 Modelování

Prvotní návrh vznášedla byl proveden v program SolidWorks 2013, kde jsme nakreslili, jak

bychom si vznášedlo představovali. Vymýšleli jsme, jak bude vznášedlo veliké, jak vyřešíme

umístění motorů, elektroniky. Také jsme museli vyřešit, jak umístíme klapky pro zatáčení,

držáky motorů, kam umístit baterii a řídící elektroniku.

Obr. 1 - Finální model vznášedla 1

5

Na obrázku výše a níže je zobrazen finální návrh vznášedla s rozmístěnou řídící elektronikou,

baterií a ovládacími klapkami. Dále pak dva motory, jeden pro nadzvedávání vznášedla a

druhý pro pohon vpřed každý opatřen vrtulí.

5.2 Volba materiálu

Jako materiál na konstrukci vznášedla jsme jasně rozhodli, že nejlepší bude použit

extrudovaný polystyren (XPS), který je velice pevný a odolnější než klasický fasádový

polystyren (EPS). Další výhoda XPS polystyrenu je ta, že se s ním dobře pracuje. Snadno se

řeže, nedrolí se a neláme jako polystyren obyčejný. Z XPS polystyrenu je vyroben hlavní

skelet vznášedla, šestiúhelníkový rám kolem otvoru pro nadnášení, držák motoru pro pohon

vpřed, přední skosená část a pomocné držáky pro rám z balsy.

Dále jsme použili modelářskou balsu na výrobu rámu, ve kterém jsou zabudovány dvě klapky

na řízení vznášedla. Držák vznášedla pro nadnášení je vyroben ze smrkového nosníku, stejné

jako uchycení klapek.

Obr. 2 - Finální model vznášedla 2

6

5.3 Pohon vznášedla

5.3.1 Motory

Pro pohon vznášedla jsme zvolili dva stejnosměrné motory MIG

400 o napětí 7,4V a 15000ot/min které by měli plně stačit jak pro

nadzvednutí vznášedla, tak pro jeho pohon vpřed.

5.3.2 Vrtule

Volba vrtule představovala jistý problém z důvodu, že jsme si mysleli, že je jedno jaká vrtule

na motor přijde, ale není tomu tak. Na motor lze použit jen určité vrtule, podle toho jak velký

mají sklon a tím pádem i jakou představují zátěž pro motor, dle které se odvíjí spotřeba

proudu. Naše motory jsou konstruovány pouze pro maximální proud 10A.

Pro určení vyhovující vrtule jsme použili program Drive Calculator, podle kterého nám

doporučil pro pohyb vpřed vrtuli GWS HD 6x5, my zvolily GWS EP 6x5 z důvodu nižší ceny

na úkor měkčího materiálu. Pro nadnášení vznášedla nám Drive Calculator dovolil vybrat

vrtuli AeroCarbon 7x6. My však použily vrtuli GWS 7x6, která má obdobné parametry.

5.3.2.1 Drive Calculator

Tento program je vhodný pro zjištění typu vrtule k danému motoru nebo naopak. Při spuštění

programu se nám zobrazí okno (viz obr. 3,4), kde nastavujeme parametry. Jako první zvolíme

typ baterie, kterou vlastníme, pokud ji v seznamu nenajdeme tak si můžeme nastavit

konstantní napětí, pro nás 7,4V. Dále si pak v seznamu najdeme motor, náš jak ukazuje

obrázek 3, MIG 400, 7,2V. Můžeme si také vybrat převodovku k motoru nebo regulátor

otáček, my nemáme.

Po té už jenom můžeme listovat v seznamu vrtulí a sledovat parametry které nám program

ukáže. Pro nás jsou nejdůležitější parametry jako odběr proudu, výkon, rychlost otáčení

vrtule, tah, účinnost. Úplně nahoře si můžeme přepínat mezi grafy charakteristik motoru a

charakteristik vybrané vrtule. Na obrázku 3, je graf pro motor MIG 400, kde můžeme vidět

průběhy otáček, výkonu a účinnosti v závislostí na proudu motorem. Zelená tečka je

optimální pracovní bod, červená pak maximální hodnota, které můžeme dosáhnout. Na

obrázku 4 je graf pro vrtuli AeroCarbon, která má stejné závislosti jako jsou u motorů.

7

Program také umí doporučit k danému motoru vrtuli dle nejlepších poměrů výkon/účinnost

nebo naopak k vrtuli sám doporučí motor. Dále má další funkce jako jednoduchý výpočet

vrtule ze zadaných parametrů, výpočet rozměru rotoru a vzdálenost magnetů na základě

rozměrů statoru a vzduchové mezery a také převod jednotek.

Obr. 3 - Screenshot z programu Drive Calculator – GWS HD 6x3

8

Obr. 4 - Screenshot z programu Drive Calculator – AeroCarbon 7x6

9

5.4 Napájení

Pro napájení jsme využili baterii Li-Pol o napětí 7,4V a kapacitě 2600mAh

s proudy 25/50C

5.5 Ovládání (zatáčení)

Na ovládání klapek jsme použili mikroservo ECO-16 16g s parametry tahu 2,2/2,5 kg/cm a

rychlostí 0,16/0,12s/60° při 4,8/6V.

5.6 Kamera

Vznášedlo bude schopné připojit jakoukoliv webkameru pomocí USB, přes kterou bude moc

operátor sledovat pohyb vznášedla, tedy vidět přímo tak, jako by stal přímo před ním.

5.7 Ultrazvukové čidlo vzdálenosti

Dokážeme připojit až dva ultrazvukové čidla, které nám budou měřit vzdálenost vznášedla od

překážky. Máme dvě čidla US-015 o pracovním napětí 5V DC, detekční vzdálenosti 2-400cm

a snímaném úhlu 15°.

5.8 Navržená DPS pro buzení motorů

Dalším komponent komponentem je námi navržená deska

pro buzení motorů, ovládání serva pro řízení, komunikaci

s ultrazvukovými senzory, výstupem pro ovládání případně

připojených LE diod.

5.9 Raspberry Pi

Hlavním prvkem, dle zadání, je Raspberry Pi, které vlastníme, takže nebyl problém s jeho

pořizováním a tudíž i dalšími náklady.

Raspberry Pi je jednodeskový počítač o rozměrech přibližně 6x9cm (bez osazené SD karty).

Základem počítače je čip BCM2835 firmy Broadcom, který v sobě obsahuje procesor

ARM1176JZF-S taktovaným na 700MHz a taktéž grafický procesor VideoCore IV a 512 MB

paměti RAM (u námi použitého modelu). Operační systém je na SD kartě.

Raspberry Pi je napájeno z námi navržené desky a stará s nám o komunikaci mezi PC a

vznášedlem, pomocí Wi-Fi antény CONNECT IT CI-17, která je připojena přes USB.

Původně jsme chtěli použít Wi-Fi modul připojení přes rozhraní I2C, ale bohužel se nám

nepodařilo rozchodit příslušné knihovny pro Raspberry Pi.

10

Obrázek 6- Spodní část Obrázek 5 - Vrchní část

6 DPS pro buzení motorů

6.1 Popis

S návrhem desky nebyl až takový problém, jelikož máme zkušenosti s výrobou DPS.

6.2 Schéma

6.3 Návrh plošného spoje

11

6.1 Součástky

C1, C2 100uF, 15V

C5, C6 33pF

C7 470nF

C8 10nF

D1, D2 1N4004

IC2 lm294oct

IC3 PIC18F2550_28W

IC4 TLC272D (SOT8)

OK1 PC817

Q1-Q5 BS170

QF1 20MHz

R1-R4,R13-16 1MΩ

R5 10kΩ

R6 270Ω

R7,R8,R12 330Ω

R9,R10,R11,R17,R18 1kΩ

S1 10-XX

U$1, U$6, U$8 IRF2807

X1 MINI-USB-32005

7 Program

7.1 Stručný popis Program pro mikrocontrolér je psán v překladači mikroC společnosti mikroelektronika,

Který je bohatě vybaven knihovnami. My používáme knihovnu USBHID, která zajišťuje

veškerou USB komunikaci. Pro tuto knihovnu je potřeba přiložit soubor USBdsc.c, který

obsahuje popis USB zařízení (popis, PID, VID,…)

Program obsluhuje komunikaci s USB, po němž přijímá jednotlivé hodnoty PWM a zpátky

odesílá data o baterii, dobu z ultrazvukových snímačů, případně příkaz 0x26 k odpojení od

napájení (rozpojení odpojovače)

Všechna PWM jsou řešena softwarově (jelikož uC má pouze dvě HW PWM) s frekvencemi

50Hz pro servo, 100Hz pro LED a 200Hz pro motory. Servo má celkem 200 možných stavů

PWM, z čehož je pro rozsah serva použitelných 18 (po 10°) použitelná hodnota je tedy 6-24,

15=nulová výchylka. Motory mají 50 kroků a LED 100. uC dále obstarává měření napětí na

baterkách každé 3s a následné odpojení odpojovače v případě že baterka klesne pod 3,3V.

Program pro PC je napsaný v jazyce C# a pracuje se 3 knihovnami. AForge.Video pro

zobrazení obrazu z webkamery UsbHid pro obsluhu USB a JoistickInterface pro ovládání

pomocí gamepadu. Data do uC odesílá každých 50ms, pokud nastala nějaká změna.

7.2 Zdrojové soubory Zdrojové soubory jsou přiloženy k dokumentu.

12

8 Komunikace

8.1 Blokové schéma

8.2 Popis Hlavní komunikace jde mezi Raspberry Pi a PC přes Wi-Fi a z Raspberry do uC přes USB.

V našem případě Raspberry slouží pouze jako USB server který sdílí své USB porty přes Wi-

Fi. Toto je možné díky free aplikaci usbip, kterou se nám přes veškerou snahu nepodařilo

zprovoznit. Museli jsme přejít k záložnímu plánu a použít aplikaci USB over IP od firmy

VirtualHere, která sice funguje výborně, ale zdarma sdílí pouze jedno USB. Z tohoto důvodu

jsme nezprovoznili ani webkameru (funguje buď kamera, nebo ovládání vznášedla).

Kameru jsme zkoušeli zprovoznit i pomocí streamu, ale obraz nebyl plynulý.

13

Obrázek 8.1 - Stavba prototypu vznášedla Obrázek 8.2 - Stavba prototypu

vznášedla

9 Fotodokumentace

Obrázek 8.3 - Realizace konečné verze vznášedla Obrázek 1.4 - Umístění hlavních pohonných motorů

a serva

14

Obrázek 8.5 - Detailní náhled na motor a servo

Obrázek 8.7 - Propojení řídící jednotky a

motoru Obrázek 8.8 - Konečný předváděcí model

Obrázek 8.6 - Detailní náhled na uchycení motoru

pro nadnášení

15

10 Závěr Projekt byl zpracován podle zadání. Vznášedlo obsahuje Raspberry Pi, které slouží jako

hlavní komunikační uzel mezi PC, ovladačem a budící deskou. Vše je ovládáno přes Wi-Fi

připojení z počítače, kde stačí vytvořit virtuální server na který se Raspberry Pi připojí. Po té

stačí spustit program na sdílení USB a naší vytvořenou aplikaci.

Problém nastal s připojením dalších komponent přes USB, jelikož program USB over IP,

který nám umožňuje sdílet USB skrz Wi-Fi připojení nám dovolí ve free verzi sdílet pouze

jedno zařízení USB. Pro více sdílených USB bychom museli program zaplatit. Z tohoto

důvodu není na vznášedle umístěna kamera, ale pokud bychom chtěli a zaplatili onen

program, tak kamera bude fungovat. Dalším problémem byl návrh vaku pod vznášedlo, který

jsme mnohokrát měnili, testovali funkčnost atp. Na konec vznikl vak, s velkou dírou

uprostřed a dalšími menšími dírami okolo.

Z praktického testování se vznášedlo pohybuje na hladkém povrchu bez problému,

avšak na hrubším povrchu se bohužel moc nehýbe. Toto je zapříčiněno špatným návrhem

vaku pod vznášedlem, kde nemáme dokonale vyřešeno unikání vzduchu ze spodu vznášedla.

Toto se samozřejmě vyřeší v budoucí verzi.

Přes zmíněné problémy se podařilo vytvořit fungující vznášedlo které jak doufáme se

budeme dál vylepšovat. Při tvorbě tohoto projektu jsme se naučili mnoho zajímavých věcí

jako je funkce vznášedla, ovládání Raspberry Pi přes Wi-Fi a také něco o návrhu řídící a

budící elektroniky pro RC modely.

11 Zdroje [1] Vznášedla.com, Princip vznášedla. Dostupné z: http://www.vznasedla.com/princip-

vznasedla/

[2] AForge.net. Dostupné z: http://www.aforgenet.com/

[3] Interfacing with a Joystick using C#. CODEPROJECT. Dostupné z:

http://www.codeproject.com/Articles/16704/Interfacing-with-a-Joystick-using-C

[4] Linux,RPi and USB over IP. Dostupné z:

http://pietrushnic.github.io/blog/2014/08/18/linux-rpi-and-usb-over-ip/

[6] RaspberryPi. Dostupné z: https://www.raspberrypi.org/

[7] USB over IP. Dostupné z: http://www.virtualhere.com/