AS-0.3200 Automaatio- ja systeemitekniikan projektityöt Projektisuunnitelma A10-14 Automaattinen pesäpallolukkari Dani Anttila Olli Mäentaka Reidar Udd 9/21/2010 Määritellään projektin tavoite, aikataulu ja riskit.
1. Projektin tavoite Projektin tavoitteena on rakentaa toimiva pesäpallon syöttörobotti. Syöttörobotin tärkeimmät osat ovat laboratoriossa aikaisemmin käytetyt Maxon sähkömoottori ja sitä ohjaava Elmo MC Cello servosäädin. Moottorin akseliin kiinnitetään noin 0,5 m pitkä varsi jonka päässä on palloa pitelevä kauha. Robotti saa signaalin esimerkiksi jalkanapista, jonka jälkeen varren heilautus saa pallon lentämään suoraan ylöspäin ja tippumaan halkaisijaltaan 60 cm lautaselle. Syötön korkeus on ideaalisesti noin 3 metriä, mutta tästä joudutaan todennäköisesti tinkimään. Tämä johtuu käytettävissä olevasta moottori-vaihteistoyhdistelmästä joka ei mahdollista tarpeeksi suurta kulmanopeutta. Projektityö toteutetaan kolmen hengen ryhmässä niin, että kukin tekee 80 tuntia töitä. Tämä vastaa kolmea opintopistettä. 2. Organisointi ja aikataulu Työ jakautuu useaan osa-alueeseen, jotka usein voidaan toteuttaa samanaikaisesti. Tärkeimmät osa-alueet on kuvattu alla. Tarkempi tehtäväverkko aikavaatimuksineen löytyy liitteestä 1. 2.1. Alkutoimenpiteet Alkutoimenpiteisiin kuuluvat seuraavat välivaiheet: - aiheeseen ja laitteistoon perehtyminen, - fysiikan selvittäminen, - johdotuksien valmistaminen ja - projektisuunnitelman tekeminen. Kaikki edellä mainitut ovat tätä luettaessa tehty. 2.2. Moottoriohjaimen konfigurointi + testaus ja viritys Seuraavassa vaiheessa kytketään Elmo MC Cello servo-ohjain ja sähkömoottori USB-sarjaportti sovittimella tietokoneeseen. Cellon pitäisi pystyä automaattisesti kalibroimaan itsensä, eli määrittämään PI-säätimen parametrit. Tähän mennessä olemme onnistuneet luomaan yhteyden tietokoneen ja Cellon väille, mutta säätimen automaattisissa säädöissä on puutteita. Ainoa tapa saada korkea nopeus moottorista tällä hetkellä on ohjata moottoria virran kautta. Moottorin ohjaaminen paikka- ja nopeussäädöllä johtaa hyvin pieneen pyörimisnopeuteen. Koska tämä on kriittinen vaihe projektin etenemisen kannalta, pyrimme ratkaisemaan tämän ongelmaan ennen viikkoa 41. Kun ohjaimen säätöön liittyvät ongelmat on ratkaistu, siirrytään ohjelmoimaan servo-ohjaimen käskyt pesäpallon heittämiseksi ilmaan. Tässä otetaan huomioon varsinkin pehmeä hidastus syötön jälkeen, jotta järjestelmään ei kohdistuisi liian suuria rasituksia. 2.3. Konelukkarin rakentaminen Seuraavat vaiheet; konelukkarin rakentaminen, moottorinohjaimen ohjelmointi ja konelukkarin testaaminen muodostavat silmukan. Jokaisella iteraatiolla pyrimme pääsemään lähemmäs haluttua lopputulosta.
Konelukkarin rakentamiseen kuuluvat seuraavat osat: - varsi jonka päässä on palloa pitelevä kauha, - kehikko, johon itse moottori ja moottorinohjain kiinnitetään, - moottoriin tai kehikkoon kiinnitettävä rajakytkin, - jalkanappi jonka antaa signaalin pallon heittämiseksi ilmaan ja - jousi tai pehmuste joka auttaa moottorin hallitussa hidastamisessa vaihteiston säästämiseksi. Halutaan rakentaa liitteiden 2 ja 3 mukainen mekaniikka. Moottoriin on jo kiinnitetty pidike, johon varren voi kiinnittää. Varsi rakennetaan esimerkiksi akryylistä, joka on kevyt ja jäykkä materiaali. Varren päähän kiinnitetään palloa pitelevä kauha, joka ostetaan esimerkiksi Ikeasta tai valmistetaan itse. Alustavasti olemme miettineet varren pituudeksi noin 0,5 m, joka on kompromissi tarkkuuden ja syötön lähtönopeuden välillä. Tämä on kuitenkin kokeiltava. Kokeilua varten olisi kätevää, jos varren pituutta voisi säätää. Varren yhteyteen rakennetaan toiselle puolelle rajakytkin, joka ilmoittaa milloin varsi on alkutilassa ja valmis heittämään pallon ilmaan. Toiselle puolelle puolestaan rakennetaan esimerkiksi jousi tai pehmuste joka auttaa moottorin hallitussa hidastamisessa sen jälkeen kun pallo on irronnut kauhasta. Moottoria ja servo-ohjainta kannattelevasta kehikosta sekä jalkanapista tehdään mahdollisimman yksinkertaiset. Koska mekaniikasta tulee verrattain yksinkertainen, se pyritään saamaan valmiiksi viikolla 43. 2.4. Konelukkarin ohjelmointi ja testaaminen Kun mekaniikka on rakennettu, siirrytään ohjelmoimaan servo-ohjainta ja testaamaan miten ohjelmointi vaikuttaa liikkeeseen. Testausvaiheen alussa tavoitteena on, että saamme pallon ilmaan. Tämän jälkeen pyritään vuorotellen ohjelmoimaan ja testaamaan kunnes ollaan tyytyväisiä tulokseen. Saattaa olla, että joudumme modifioimaan esimerkiksi varren pituutta haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Itse ohjelman pitäisi olla hyvin yksinkertainen ja koostua suurin piirtein seuraavista komennoista: - jalkanapin signaali laukaisee syötön, - täyskiihdytys kunnes varsi on vaakasuorassa ja pallo lentää ilmaan, - pehmeä hidastus ja - rajakytkintä hyödyntäen paluu alkupisteeseen. Jos pallo ei lennä toivotulla tavalla, voimme muuttaa servosäätimen ohjausta ja säätimen parametreja. Jotta jäisi kunnolla aikaa ohjelman virittämiseen, tämä vaihe on oltava valmiina viikolla 45. 2.5. Viimeiset vaiheet ja loppusilaus Aikaisempien vaiheiden jälkeen meillä tulee olla toimiva laite. Jos aikaa jää yli, lisätään systeemiin hienouksia kuten esimerkiksi putki josta pallot valuvat automaattisesti kauhaan heitettäväksi. Myös vaihteleva syötön korkeus ja valeheitot jossa robotti hämää pelaajaa ovat mahdollisia. Loppuraporttia pyritään päivittämään sitä mukaa kun vaiheita valmistuu. Työ esitellään luennolla joko 30.11 tai 7.12.
3. Riskien hallinta Tähän mennessä tunnistetut riskit projektin toteutuksessa ovat esitelty alla. Syöttö ei ole tarpeeksi korkea Syötön tarkkuus ja korkeus riippuvat suurilta osin käytetyistä laitteista, joihin tällä kertaa emme voineet vaikuttaa. Olemme laskuissamme todenneet, että syötön korkeus on parhaimmillaan noin puolet toivotusta kolmesta metristä. Tämä hyväksytään, sillä järjestelmään on helppo myöhemmin lisätä suurempi moottori tai toinen vaihteisto. Aika ei riitä toimivan ratkaisun rakentamiseksi Projektityön laajuus on 3 opintopistettä, ja aikataulu on laskettu sen mukaan. Koska emme ole aikaisemmin käyttäneet vastaavia liitäntöjä ja ohjelmistoja, arvioit aikataulusta voivat olla vääriä. Voi olla, että jäämme jumiin johonkin tiettyyn välivaiheeseen. Tässä tilanteessa tarvitsemme apua laitoksen henkilökunnalta, joka onkin tähän mennessä kiitettävästi auttanut ongelmatilanteissa. Laskuvirheet Lukkarin fysiikkaa mallintavissa laskelmissa saattaa olla virheitä. Moottori tai moottorinohjain on virheellinen Osat ovat peräisin automaattisesta soutulaitteesta, joten niiden toiminta ei välttämättä ole uudenveroista. Osia pitäisi tarpeen tullen olla useampia saatavana. Tunnistettujen riskien hallinta Riskit muuttuvat koko ajan kun päästään projektissa eteenpäin. Tämän takia riskit arvioidaan viikoittain. Mietitään miten tunnistetut riskit ovat kehittyneet, mikä on toteutuksen kannalta suurin riski ja onko uusia riskejä ilmaantunut. Huolestuttavista riskeistä ilmoitetaan valvojalle. Liitteet (4 kpl) Liite 1 Liite 2 Liite 3 Liite 4 Janakaavio projektin vaiheista ja aikataulusta 3D kuva lukkarista 2D kokoonpanokuva lukkarista Otos taulukkolaskelmasta jossa laskettu fysiikkaa
Lopputestit 4 hrs Tue 30.11.10 Loppudokumentti+luento 10 hrs LIITE 1 Tue 7.9.10 Aloitusluento 3 hrs Aiheeseen perehtyminen 2 hrs Fysiikan selvittäminen 3 hrs Johdotuksien valmistaminen 3 hrs Moottorinohjaimen konfigurointi 6 hrs Moottorinohjaimen sekä moottorin testaus ja viritys 4 hrs Konelukkarin rakentaminen (heittovarsi jne.) 12 hrs Konelukkarin testaaminen Moottorinohjaimen ohjelmointi 5 hrs 12 hrs Laitteistoon perehtyminen 4 hrs Projektisuunnitelma ja luento 7 hrs Tue 2.11.10 Väliraportti+luento 5 hrs
LIITE 2
LIITE 3 Merkki Muoto, malli, määrä Lajimerkki Laatu Kpl A10-14 Konelukkari 4 Muutos Pvm. Muuttanut Hyv. Osa Piirustusnumero Tavaratunnus Yleistoleranssit Piirt. 21.09.10 RU Suunn. Tark. Hyv. Osan tai kokoonpanoryhmän nimitys Mittakaava Tuote Standardi tai luettelo Liittyy Ent. Uusi Massa kg AS-0.3200 1:2 5 2 1 Item Number Title 1 Kiinnityslevy 2 Asennushollki 3 Moottori + enkooderi 4 Kiinnitys varrelle 5 Varsi 6 Kauha 7 Pallo 3 7 6 Konelukkari Kokoonpanokuva
LIITE 4 Oletukset: Varsi tasapaksu Varsi pysähtyy vaakatasoon Pallon nousukorkeus 3 4 m Pallon lähtönopeus 7,7 8,9 m/s ½*mv 2 = mgh v = SQRT(2gh) Varren pituus pallon puolelta 0,7 m Varren pituus toiselta puolelta 0,1 m Pallon keskipisteen etäisyys varren kärjestä 0,05 m Kulmanopeus 11,8 13,6 rad/s ω = v/r Kulmanopeus 676,3 780,9 astetta/s Kierrosnopeus 1,9 2,2 rps Pallon massa 0,16 kg Pallon liike energia 4,7 6,3 J E = ½mv 2 Palkin/varren kokonaispaino 1 kg Pallonpuoleisen palkin hitausmomentti 0,143 kgm 2 J = ⅓mr 2 Toisen puolen palkin hitausmomentti 0,0004 kgm 2 J = ⅓mr 2 Pallonpuoleisen palkin pyörimisenergia 9,96 13,27 J E k = ½Jω 2 Toisen puolen palkin pyörimisenergia 0,03 0,04 J E k = ½Jω 2 Moottorin hitausmomentti (1 gcm 2 = 0,0000001 kgm 2 ) 67,7 gcm 2 Moottorin hitausmomentti kgm 2 0,000007 kgm 2 Vaihteen hitausmomentti 0,7 gcm 2 Vaihteen hitausmomentti kgm 2 0,00000007 kgm 2 Moottorin pyörimisenergia 2,47053 3,29403426 J E k = ½Jω 2 Vaihteen pyörimisenergia 0,02554 0,03405944 J E k = ½Jω 2 Energiat yhteensä 17,19 22,92 J
Saatavilla oleva moottori ja vaihtesito: Moottorin suurin sallittu pyörimisnopeus 5000 rpm Moottorin suurin sallittu pyörimisnopeus 83,33 rps Vaihteiston välityssuhde 72,38 :1 Akselin pyörimisnopeus 1,15 rps Akselin kulmanopeus 7,23 rad/s Tällä saavutettava pallon lähtönopeus 4,70 m/s Tällä saavutettava pallon nousukorkeus 1,13 m Tähän tarvittava energia 6,46 J Pallon kiihdytysmatka asteina 23,9 astetta iterointi käytössä Tällöin pallon ja varren tarvitsema potentiaalienengia 1,60 J E = mgh, h=sin(α)*varsi Potentiaali ja liike energiat yhteensä 8,06 J Moottorin teho 70 W Täydellä teholla kiihdytysaika 0,115 s Tällöin kiihtyvyys 40,84 m/s 2 a=v/t Tällöin kiihdytysmatka (pallolla) 0,27 m s=½at 2 Kiihdytysmatka 23,9 astetta Kiihdytyskorkeus (varren kärjestä) 0,28 m