Messaufbau mit Arduino: Gyroskop

Aus HSHL Mechatronik
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Author: Syed Rafsan Ishtiaque
Art: Praxissemester
Dauer: 02.05.2023 - 21.08.2023
Betreuer: Prof. Dr.-Ing Ulrich Schneider


Einleitung

Das Gyroskop-Projekt wird es uns ermöglichen, die Daten einer kontinuierlichen Drehung eines Gyroskops zu erfassen und sie zur Analyse an unsere Steuereinheit zu senden. In diesem Projekt werden wir das Gyroskop drehen und seine Daten über einen Schleifring übertragen. Das Hauptaugenmerk des Projekts liegt darauf, die Daten an das DS1104 R&D Controller Board zu senden. Und dafür brauchen wir ein robustes System, das einen Schleifring und einen Encoder enthält. Die größte Herausforderung beim Aufbau des Systems ist die Hardware-Montage. Wir werden uns also mehr darauf konzentrieren.


Anforderungen

Tabelle 1: Funktionale Anforderungen an der Gyroskop-Projekt
ID Inhalt Ersteller Datum Geprüft von Datum
1 Ein Haltebereich für PCB zwischen der Hauptstruktur und der Gyro-Struktur Marc Ebmeyer 27.07.2023 Rafsan 07.08.2023
2 Ein Servomotor (SG 90) zum Drehen des Gyroskops, des Rades des Inkrementalgebers und des Schleifrings Marc Ebmeyer 27.07.2023 Rafsan 09.08.2023
3 Einem Inkrementalgeber (FC 03) zur Messung der Drehung des Servomotors (SG 90) und des Gyro (GY 35) Marc Ebmeyer 27.07.2023
4 Ein Gyro (GY 35), der in der gleichen Achse wie das Servo und der Schleifring platziert ist und über einen Draht mit dem Schleifring verbunden ist Marc Ebmeyer 27.07.2023 Rafsan 09.08.2023
5 Ein Schleifring (SN M022A-06), der über eine Welle mit dem Servo verbunden ist, um die Daten vom Gyro zu übertragen Marc Ebmeyer 27.07.2023 Rafsan 09.08.2023
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Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

  • Abb. 2: Dieser Entwurf zeigt die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten des Systems

    Abb. 2: Dieser Entwurf zeigt die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten des Systems

  • Abb. 3: Dieses Diagramm zeigt die Verbindung zwischen den Schaltelementen

    Abb. 3: Dieses Diagramm zeigt die Verbindung zwischen den Schaltelementen

Komponentenspezifikation (Elektronische Komponenten)

Sensor

GY-35-RC one-axial Gyroscope/ Analog ENC-03RC

Der Sensor, den wir verwenden werden, hat die Modellnummer GY-35. Auf ihm ist ein ENC-03RC-Chip montiert. Der GY-35 ist ein einachsiges Gyromodul, das heißt, ein Modul kann nur eine Achse messen. Die Spannungsversorgung beträgt 3 bis 5 V. Die Größe beträgt 10mm × 17.5mm [1] [2]. Eine Alternative zum Sensor GY 35 kann der Sensor MPU 6050 oder GY 521 sein.

  • Abb. 4a: GY 35 ENC-03RC

    Abb. 4a: GY 35 ENC-03RC

  • Abb. 4b: Installierte GY 35 im System

    Abb. 4b: Installierte GY 35 im System

Inkrementalgeber/ optischer Geschwindigkeitsmesser (FC 03)

Wir haben einen Encoder-Drehzahlsensor verwendet. Er besteht aus dem Chipsatz und dem Rad. Das Hauptziel des Encoders in unserem System ist es, die Geschwindigkeit des Servomotors zu messen. Das Rad ist oben auf dem Servomotor befestigt, und der Chip des Encoders ist auf einem Halter an der Seite des Rads montiert. Das von uns verwendete Modell ist FC 03 [3]

  • Abb. 5a: Encoder Geschwindigkeit Optische Kopplung FC-03 Sensor

    Abb. 5a: Encoder Geschwindigkeit Optische Kopplung FC-03 Sensor

  • Abb. 5b: Installierte FC 03 mit Rad im System

    Abb. 5b: Installierte FC 03 mit Rad im System

Servo motor SG 90

Wir haben den normalen Servomotor, der normalerweise in Arduino-Projekten verwendet wird, so verändert, dass er sich kontinuierlich um 360 Grad drehen kann. Wir verwenden Tower Pro micro servo 9g SG90 [4] . Der Änderungsprozess ermöglicht es uns, das Servo kontinuierlich in beide Richtungen zu drehen. Wir können auch die Geschwindigkeit kontrollieren [5]

  • Abb. 6a: Servomotor 9g SG90 (von uns modifiziert)

    Abb. 6a: Servomotor 9g SG90 (von uns modifiziert)

  • Abb. 6b: Installierte Servomotor 9g SG90 im System

    Abb. 6b: Installierte Servomotor 9g SG90 im System

Slip ring SRC022A-6

Für unser Messsystem ist es sehr wichtig, dass das GY 35 kontinuierlich gedreht wird. Dafür haben wir den Servomotor modifiziert. Aber dann standen wir vor einer Herausforderung. Da der GY 35 mit der Steuereinheit verbunden ist, würde eine kontinuierliche Drehung die Drähte, die mit der Steuereinheit (PCB/Arduino) verbunden sind, verwickeln. Um das Problem zu lösen, haben wir einen Schleifring installiert. Dieser Schleifring hat 6 Drähte auf beiden Seiten, was bedeutet, dass 4 verschiedene Arten von Anschlüssen des GY 35 leicht mit einer der beiden Seiten verbunden werden können. Wir haben die dünnere, drehbare Seite des Schleifrings gewählt, um den GY 35 anzuschließen. Die maximale Stromstärke, die er übertragen kann, beträgt 2A. Außerdem kann er sich mit bis zu 300 rpm drehen [6].

  • Abb. 7b: Installierte Schleifring im System

    Abb. 7b: Installierte Schleifring im System

Controller unit ( DS1104 R&D Controller Board oder Mikrokontroller)

In diesem Projekt werden wir zunächst einen Mikrocontroller und später eine Controller Board verwenden, die alle für das System benötigten Steuereinheiten enthält. Wir verwenden Funduino Uno [7].

  • Abb. 8b: Der Mikrocontroller Funduino zum Testen des Systems

    Abb. 8b: Der Mikrocontroller Funduino zum Testen des Systems

Umsetzung (Hardware)

Die Systemgrundlage

Die Hauptbasis des Systems ist der Boden, der alle Komponenten trägt. Sie ist in zwei Teile unterteilt, einer ist der Haltebereich für Servo, Gyro, Encoder und Schleifring. Der andere ist die Erweiterung, die die Leiterplatte aufnimmt. Die Leiterplatte fungiert als Hauptsteuergerät. Wir können auch einen Arduino anstelle der Platine einsetzen.

Der Grund

Der Boden ist der Bereich, in dem sich die Komponenten befinden

PCB-Halter-Verlängerung

Wir haben den vorgesehenen PCB-Erweiterungsbereich. Dieser überbrückt den Leiterplattenhalter und den Hauptkörper des Systems.

  • Abb. 5: Der wichtigste Aufbewahrungsort für alle Komponenten

    Abb. 5: Der wichtigste Aufbewahrungsort für alle Komponenten

  • Abb. 6: Die Verlängerung der Hauptstruktur, die die Leiterplatte hält

    Abb. 6: Die Verlängerung der Hauptstruktur, die die Leiterplatte hält

Schleifring-Halter

Der Schleifringhalter ist so konzipiert, dass er den Schleifring auf dem Servo und dem Gy35 in der gleichen Achse hält. Er hat 3 Flügel, die ihn mit der Säule verbinden und einen Haltebereich für den Schleifring.

Tragsäule für Schleifringhalter

Wir haben drei Stützsäulen auf dem Boden montiert. Sie stützen den Schleifringhalter.

  • Abb. 7: Der Haltebereich für den Schleifring

    Abb. 7: Der Haltebereich für den Schleifring

  • Abb. 8a: Säule zur Unterstützung des Schleifringhalters

    Abb. 8a: Säule zur Unterstützung des Schleifringhalters

  • Abb. 8b: Die Verbindung zwischen Schleifringhalter und Säule und der Welle

    Abb. 8b: Die Verbindung zwischen Schleifringhalter und Säule und der Welle

Servomotor (SG 90) Halterung

Wir haben eine Halterung für das Servo, es ist auf dem Boden montiert. Er hat einen Platz für die Drähte, die aus dem Servo kommen. Außerdem gibt es ein kleines Teil zur Stabilisierung des Motors. Bei der Konstruktion des Servohalters mussten wir die genauen Maße berücksichtigen, denn wenn der Halter nicht stabil ist, wird unser ganzes System keine gute Leistung erbringen.

  • Abb. 9: Die Halterung für den Servomotor

    Abb. 9: Die Halterung für den Servomotor

  • Abb. 10: Montierter Servomotor im Inneren des Halters

    Abb. 10: Montierter Servomotor im Inneren des Halters

Der Schaft

Die Welle ist ein einzigartiges Design, um die Verbindung zwischen Schleifring, Gy35, Encoder und Servo herzustellen. Sie besteht aus drei Teilen.

Schleifring- und Gyroskophalter-Anschluss

Der erste Teil ist ein abgerundetes zylinderförmiges Verbindungsstück zwischen dem dünneren Ende des Schleifrings und dem Gy35-Halter. Seine Hauptfunktion besteht darin, den rotierenden Teil des Schleifrings zu drehen. Es hat auch ein Vakuum im Inneren für die Drähte, die aus dem Schleifring kommen. Das andere Ende dieses Teils ist mit dem kastenförmigen GY 35-Halter verbunden.

Gyroskop (GY 35) Halterung

Der mittlere Teil der Welle ist der kastenförmige Halter. Er hat zwei Aufgaben. Zum einen hält er den GY 35 auf der gleichen Achse wie das Servo und zum anderen dient er als Brücke zwischen dem Schleifring und dem Servo

  • Abb. 11: Der rot markierte Bereich zeigt den Stecker und die Kabel, die durch ihn gehen

    Abb. 11: Der rot markierte Bereich zeigt den Stecker und die Kabel, die durch ihn gehen

  • Abb. 12: Die rot markierte Kastenform, die den Halter GY 35 kennzeichnet

    Abb. 12: Die rot markierte Kastenform, die den Halter GY 35 kennzeichnet

  • Abb. 13: Der rot markierte Bereich zeigt die gesamte Welle

    Abb. 13: Der rot markierte Bereich zeigt die gesamte Welle

Servo- und Gyroskophalter-Anschluss

Der untere Teil der Welle ist die Verbindung zwischen dem kastenförmigen GY 35 Halter und dem darunter liegenden Servo. Dieser Teil hat ebenfalls zwei Unterteile. Das eine ist mit dem Kopf des Servomotors verbunden. Dieses Teil geht auch durch das Mittelloch des Geberrades (FC 03). Dann gibt es noch ein zweites Teil. Es ist mit dem GY 35 Halter verbunden und der untere Teil geht in diesen hinein.

  • Abb. 13: Der obere Teil des dritten Steckers, der den GY 35-Halter und den unteren Teil, der das Geberrad hält, verbindet

    Abb. 13: Der obere Teil des dritten Steckers, der den GY 35-Halter und den unteren Teil, der das Geberrad hält, verbindet

  • Abb. 14a: Der untere Teil des 3. Teils der Welle. Er enthält das Geberrad und ist mit dem Servokopf verbunden

    Abb. 14a: Der untere Teil des 3. Teils der Welle. Er enthält das Geberrad und ist mit dem Servokopf verbunden

  • Abb. 14b: Das Servo und der untere Anschluss der Welle

    Abb. 14b: Das Servo und der untere Anschluss der Welle

Inkrementalgeber (FC 03) Halterung

Wir haben einen Halter für den Inkrementalgeber (FC 03) entworfen. Es ist eine Wand geformt. Wir haben den FC 03 mit einer Schraube an der Wand befestigt. Die Wand selbst wird mit dem Sockel des Systems verschraubt. Wir haben die Wand flexibel gehalten, so dass wir die Position verändern können.

  • Abb. 15: Der Halter für den Inkrementalgeber FC 03

    Abb. 15: Der Halter für den Inkrementalgeber FC 03

  • Abb. 16: Der FC 03 ist auf dem Halter montiert

    Abb. 16: Der FC 03 ist auf dem Halter montiert


Der vollständige Aufbau des Gyroskop-Messsystems

Dies ist das System nach der Fertigstellung. Wir können sehen, dass alle Teile, die wir oben beschrieben haben, angeschlossen und installiert sind. Dieses Bild wurde nach der Installation der Hardware aufgenommen. Hier sind die Drähte nicht angeschlossen. Das Bild der angeschlossenen Kabel wird im Wiki hochgeladen, nachdem der Software- und Programmierteil abgeschlossen ist.

  • Abb. 19: Der Aufbau des Gyro-Messsystems (Frontansicht)

    Abb. 19: Der Aufbau des Gyro-Messsystems (Frontansicht)

  • Abb. 20: Der Aufbau des Gyro-Messsystems (Draufsicht)

    Abb. 20: Der Aufbau des Gyro-Messsystems (Draufsicht)

Umsetzung (Software)

Programmierung

Link zum Quelltext in SVN

Systemtest

Komponententest

Servo motor test

Wir haben zuvor den Servomotor getestet. Wir haben verschiedene Eingaben für die Variation der Geschwindigkeit und der Drehrichtung gemacht. Unser Test war erfolgreich. Er hat bewiesen, dass der Servomotor funktioniert und sich kontinuierlich mit verschiedenen Geschwindigkeiten drehen kann. Auch unsere Welle arbeitet perfekt mit dem Servomotor zusammen. Das bedeutet, dass wir in der Lage sind, den GY35, das Rad des Encoders FC03 und den rotierenden Teil des Schleifrings zu drehen. Von unserem Test haben wir die Daten erhalten, die die Geschwindigkeit des Servos und die Richtung zeigen.

  • Abb. 20a: Testen des Servomotors

    Abb. 20a: Testen des Servomotors

  • Abb. 20b: Daten aus dem Servotest. Zeigt die Richtung und Geschwindigkeit des Servos in Abhängigkeit von der Eingabe im Code

    Abb. 20b: Daten aus dem Servotest. Zeigt die Richtung und Geschwindigkeit des Servos in Abhängigkeit von der Eingabe im Code

Slip ring test

Wir haben die Durchgangsprüfung (Continuity Test) am Schleifring durchgeführt. Wir haben einen Draht mit einem Multimeter und den gleichfarbigen Draht mit der anderen Sonde des Multimeters verbunden. Auf diese Weise haben wir alle 6 Drähte des Schleifrings getestet. Für unser Projekt werden wir zwar 3 Drähte verwenden (VCC, GND und OUT), aber wir haben auch einen Kanal für den REF gemacht, falls wir ihn später einbauen. Der Schleifring ist in Ordnung.

GY 35 test

FC 03 test

Projektunterlagen

Projektplan

Produktionskosten pro Einheit (Incomplete)

  1. Servo motor: Tower Pro Micro Servo 9g SG90 (3 to 5 euro depending buying quantity)
  2. Gyroscope: GY 35 ENC 03-RC (3 to 5 euro)
  3. And we can use Adafruit mini slip ring :
  • 12 mm, 6 wires = 20 euro apprx.
  • 22 mm, 6 wires = 17 euro apprx.

Künftige Entwicklung: LC- und RC-Filter zur Rauschunterdrückung

Wenn der GY35-Sensor mit dem Schleifring verbunden wird, erwarten wir Geräusche (hohe und niedrige Frequenzen), die das System stören können. Um sie zu beseitigen, planen wir die Einführung eines Geräuschunterdrückungssystems. Unser anfänglicher Plan ist es, eine Schaltung oder ein Untersystem mit einem Satz von 3 Kondensatoren und 2 Induktoren auf der GY35-Schleifring-Seite des Hauptsystems zu bauen. Wir werden auch einen ähnlichen Aufbau auf der Schleifring- Arduino Seite des Systems machen. Diese beiden Sätze von Entkopplungskondensatoren werden uns helfen, das Rauschen zu reduzieren und die Stromversorgung zu stabilisieren. Jeder Kondensatorensatz besteht aus einem 0,1 µF, einem 1 µF und einem 10 µF Kondensator. Wir werden Keramikkondensatoren verwenden. Der Kondensator mit dem niedrigsten Wert (0,1 µF) wird in der Nähe des GY35 platziert, um hochfrequente Störungen herauszufiltern. Dann der mittlere (1 µF) und der letzte (10 µF), um das niederfrequente Rauschen herauszufiltern. Wahrscheinlich werden wir die üblichen Keramikkondensatoren verwenden.

Dann haben wir die Spule, zwei davon. Sie werden die hochfrequenten Geräusche zusammen mit den Kondensatoren abstoßen. So entsteht ein LC-Filter zur Rauschunterdrückung. Zunächst wollen wir unser System mit Induktivitäten verschiedener Werte (z. B. zwischen 10 und 100 µH) testen. Diese werden in Reihe mit der Vcc und dem GND geschaltet. Wir schlagen vor, Ferritperlen zu verwenden, da sie sich gut für die Unterdrückung von Hochfrequenzrauschen eignen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Implementierung eines RC-Low-Level-Filters. Es wird das Rauschen vom analogen Ausgang des GY35 beseitigen. Dafür haben wir hauptsächlich ein Paar von ??KΩ-Widerständen und ??nF-Kondensatoren (ca.) gewählt [wir haben die Grenzfrequenzberechnung verwendet, Grenzfrequenz = 1/(2πRC)] oder [Messwert] KΩ-Widerstand und [Messwert] nF-Kondensator (ca.) Diese Werte des Widerstands und des Kondensators des RC-Filters hängen von der Grenzfrequenz ab, die wir erreichen müssen. Für den Kondensator im RC-Filter könnten wir Folienkondensatoren verwenden, da unser Ziel die Filterung des Signals ist und Keramikkondensatoren eine gute Leistung haben.

Zusammenfassung

Literature

  1. ↑ https://www.christians-shop.de/GY-35-RC-one-axial-Gyroscope-analogue-ENC-03RC
  2. ↑ https://www.lxxtech.com/gy-35-rc-axis-gyroscope-analog-gyro-module-enc-03rc-module-p299.html
  3. ↑ https://techmaze.romman.store/product/99187844
  4. ↑ https://datasheetspdf.com/pdf/791970/TowerPro/SG90/1
  5. ↑ https://www.youtube.com/watch?v=JhHSXCLsN4k&t=13s
  6. ↑ https://www.adafruit.com/product/736#description
  7. ↑ https://funduinoshop.com/en/electronic-modules/other/microcontroller/873/funduino-uno-r3-microcontroller-arduino-compatible/


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