ArduPilot podporuje použití mnoha typů snímačů otáček. Běžně se používají v tradičních helikoptérách k měření rychlosti hlavního rotoru a otáček motoru/motoru. Snímače otáček jsou povinné pro ty, kteří chtějí používat funkci regulátoru plynu s uzavřenou smyčkou dostupnou pro vrtulníky. Navíc vozidla, která používají dvoudobé a čtyřdobé spalovací motory (ICE), používají snímače otáček za minutu, slouží k časování zapalování. Stejný snímač otáček lze použít k záznamu otáček motoru v ArduPilot.
Běžné typy snímačů otáček, které lze použít v ArduPilot:
- Hallův efekt
- Telemetrie ESC
- Elektrická komutace
- Optický
kromě toho je volitelný také snímač pseudo RPM, který hlásí střední frekvenci dynamického harmonického notch filtru.
S ArduPilotem lze použít jakýkoli snímač otáček, který vydává skokovou změnu napětí v závislosti na otáčkách. Je uvedeno stručné vysvětlení toho, jak knihovna RPM funguje. Poté následují pokyny pro nastavení různých typů snímače otáček. Lze použít až dva snímače otáček.
Jak funguje knihovna RPM (TYP = AUXPIN)¶
Knihovna RPM v ArduPilot monitoruje napětí určeného signálního pinu. Obrázek níže ukazuje typické výstupní napětí snímače otáček:
Jak je vidět, napětí osciluje mezi 0V a 5V. Pokles napětí je způsoben buď magnetem procházejícím kolem senzoru s hallovým efektem, nebo je výstupem jiného typu senzoru (např. optického). Když je detekována „sestupná hrana“, čas se uloží. Když napětí opět klesne, lze vypočítat časový rozdíl mezi sestupnými hranami. Doba mezi poklesy napětí je úměrná otáčkám. Hodnota měřítka, která koreluje čas mezi sestupnými hranami a otáčkami, závisí na nastavení a použitém zařízení. Rady pro škálování parametrů specifické pro zařízení jsou uvedeny dále v této příručce.
V tomto příkladu je výstup ze snímače elektrické komutace, připojeného k motoru se 4 póly. RPM lze vypočítat následovně:
Kde dt je čas mezi sestupnými hranami (v sekundách) a S je měřítko. V tomto příkladu 4 póly znamenají, že na otáčku budou 4 vlnové periody. Faktor škálování by tedy byl 0.25 a výsledné otáčky za minutu by byly 5282. Toto je poněkud zjednodušený pohled na to, jak ArduPilot vypočítává otáčky za minutu, ale ilustruje klíčové základní koncepty.
Hallovy senzory¶
Hardware Setup
Snad nejčastěji používané snímače s hallovým efektem mění své výstupní napětí za přítomnosti dostatečně silného magnetického pole. Magnet musí být připevněn k rotující součásti, která má být měřena. U vrtulníků to vyžaduje vytvoření otvoru nebo vybrání v autorotačním zadním hnacím kole a přilepení magnetu na místo (jako na obrázku níže). U ICE bude magnet namontován na výstupní hřídeli.
Důležitá je polarita magnetu. Pouze jeden pól vytvoří požadovanou změnu napětí. Aby bylo zajištěno, že magnet je připevněn ve správné orientaci, lze použít buď osciloskop nebo náčrt Arduina, který najdete zde. Pokud používáte osciloskop, tato příručka předpokládá, že máte dostatečné znalosti k nastavení tohoto testu. Pokud používáte metodu náčrtu Arduino v uvedeném odkazu, je na začátku náčrtu uvedena obsáhlá sada pokynů. Při psaní a testování náčrtu bylo použito Arduino Uno a je doporučeno.
Většina senzorů s hallovým efektem, které jsou určeny pro použití s vozidly s rádiovým ovládáním, bude vyžadovat určité dodatečné úpravy. Často budou potřebovat další pull-up rezistor, který má být přidán mezi Vcc a signální vedení. V některých případech se jejich Vcc, GND a signální linky neshodují s barevným kódováním vodiče. Proto je vhodné experimentovat s dodanou skicou Arduina a prkénkem, abyste si byli jisti orientací kolíku senzoru.
Pro spolehlivý signál RPM by měl být snímač Hallova efektu namontován velmi blízko magnetu. Obrázek níže ukazuje příklad montáže na vrtulník.
Tyto tři vodiče by pak měly být zapojeny do autopilota. To se běžně provádí pomocí standardní servozástrčky. Zem na Gnd, Vcc na 5V a signální vedení musí být připojeno ke kolíku GPIO. Na většině menších desek to bude kterýkoli z pinů PWM na liště serva. Na Pixhawku to musí být jeden z portů AUX. Z důvodů vysvětlených později se doporučuje nejprve použít kolík s nejvyšším číslem. Např. AUX 6 na Pixhawk/Cube nebo PWM 9 na MatekF405-Wing.
Nastavení parametrů
Nejprve je třeba desku nakonfigurovat tak, aby umožňovala nastavení pinů PWM pro GPIO. To se provádí pomocí parametru BRD_PWM_COUNT . Snižte počet PWM, abyste uvolnili pin, který bude použit pro GPIO. Na deskách jiných výrobců než Pixhawk bude počet PWM zahrnovat všechny výstupy PWM. Na deskách Pixhawk tento parametr ovlivňuje pouze AUX piny. Napište parametr a restartujte autopilota.
ve firmwaru verze 4.2 a novější je změněn způsob nastavení výstupu PWM/SERVO/MOTOR na funkci GPIO. Místo použití BRD_PWM_COUNT je individuální parametr SERVOx_FUNCTION nastaven pouze na „-1“. Pokud je nastaveno na „0“, zůstane výstupem PWM, nepřiřazený funkci, a vydává hodnotu trimování tohoto výstupu, když není aktivní zabezpečení desky. Pokud je funkce serva „zrcadlena“ na vzdálené zařízení, jako v případě DroneCAN nebo KDECAN ESC, pak za účelem změny odpovídajícího výstupního kolíku desky autopilota na GPIO, ale umožnit, aby SERVOx_FUNCTION byla stále přiřazena vzdálenému zařízení lze parametr SERVO_GPIO_MASK použít k přiřazení pinu desky jako GPIO, aniž by to ovlivnilo přiřazení SERVOx_FUNCTION pro vzdálené zařízení.
Nyní musí být povolena knihovna RPM. V následujících částech použijeme pro příklady parametrů druhou instanci snímače otáček.
Nastavte parametr RPM2_TYPE na 1 pro senzor založený na pinech GPIO. Zapište parametr do ArduPilot a poté obnovte/načtěte parametry. Nyní zjistíte, že instance RPM (např. RPM2) má k dispozici řadu dalších parametrů pro úpravy, které vám umožní dokončit nastavení.
Nyní je potřeba autopilotovi sdělit, na kterém pinu najde signál RPM. K tomu budete muset najít číslo PIN v souboru hwdef.dat pro vaši desku. Tyto naleznete zde. V souboru pro vaši desku budete muset najít, kde je definice GPIO(*). Pin musí mít přiřazený časovač. Normálně to budou PWM servo/motorové výstupy, které byly označeny jako GPIO namísto PWM výstupu. Další informace naleznete v části GPIO.
např. pokud máme AUX port 5 nastaven na GPIO a jeho číslování GPIO odpovídá pinu 54, je nutné zadat 54 do parametru RPM2_PIN pro RPM snímač.
Parametr RPM2SCALING bude odpovídat počtu použitých magnetů. Nejčastěji se používá pouze jeden magnet a tento parametr je nastaven na 1. Některé instalace používají 2 magnety, fázově posunuté o 180 stupňů. V tomto případě by měl být tento parametr nastaven na 0.5.
Zpočátku se doporučuje ponechat parametry RPM2_MIN , RPM2_MAX a RPM2_MIN_QUAL jako jejich výchozí hodnoty. Pokud signál RPM překročí kterýkoli z těchto limitů, pak je hodnota hlášená v pozemní stanici a protokolech nula. Proto tyto hodnoty upravujte až poté, co se ujistíte, že váš snímač otáček funguje podle očekávání, jinak může být ladění obtížnější, pokud se nic nehlásí.
Při použití dvou snímačů otáček jsou parametry min, max a kvalita platné pro oba snímače otáček. V tomto případě nezapomeňte nastavit tyto hodnoty tak, aby zahrnovaly rozsahy otáček obou snímačů.
Nakonec, abyste otestovali, že vše funguje, můžete použít živé kanály rpm1/rpm2 na rychlé kartě v plánovači misí nebo v okně živého ladění. Alternativně lze historii RPM zkontrolovat v protokolech.
Telemetrie ESC — Průměrné otáčky motoru¶
Knihovnu otáček za minutu lze také použít k nastavení „senzoru otáček za minutu“, který vypočítává a zaznamenává průměrné otáčky za minutu pro vybrané motory na vozidle, které jsou řízeny ESC schopnými BLHeli_32 nebo BLHeli_S. Nejprve bude nutné nastavit telemetrii ESC. Podrobnosti o tom, jak to provést, najdete v Telemetry BLHeli. Po dokončení nastavte RPMx_TYPE na 5 a zapište parametry do ArduPilot. Poté obnovte/načtěte parametry. Zjistíte, že pro tuto instanci je nyní k dispozici řada dalších parametrů. Najděte a nastavte RPMx_ESC_MASK pro přidání kanálů ESC, které chcete zahrnout do průměru. Například pro druhou instanci RPM:
RPM2_ESC_MASK je bitová maska, přičemž každý bit odpovídá kanálu. Pokud byste chtěli průměrné otáčky za minutu pro motory 1 až 4, nastavili byste RPM2_ESC_MASK = 1 + 2 + 4 + 8 = 15.
Senzory elektrické komutace¶
Elektrická komutace RPM snímače mohou být přidány zpětně pomocí něčeho jako Hobbywing střídavý RPM snímač. Některé ESC, jako je řada Castle Creations Edge, které mají pomocný výstup, lze nakonfigurovat tak, aby vydávaly impuls za komutaci.
Pro upřesnění, toto není totéž jako RPM, které lze předávat prostřednictvím sériové telemetrie pomocí ESC. Informace o tom, jak nastavit hlášení otáček za minutu pomocí vhodných ESC, najdete v ESC telemetrii .
Nastavení pro snímače RPM s elektrickou komutací je v podstatě stejné jako u snímačů s hallovým efektem, takže platí výše uvedené kroky. Jediným rozdílem je hodnota měřítka, která se zadává do parametru RP2_SCALING. Nyní je hodnota měřítka funkcí počtu pólů v motoru a měla by být převrácená k počtu pólů. Např. Čtyřpólový motor bude potřebovat hodnotu měřítka 4.
Optické senzory¶
Nastavení optických senzorů je opět stejné jako u senzoru s hallovým efektem. Jediný rozdíl je v hodnotě měřítka. RPM2_SCALING by mělo být nastaveno tak, aby odpovídalo počtu reflexních překážek, které projdou kolem senzoru při jedné rotaci.
Středová frekvence harmonického zářezu¶
Pokud RPMx_TYPE = 4, pak je hlášena střední frekvence harmonického zářezu. Jak je tato hodnota získána, viz Správa gyroskopického šumu pomocí filtrů Dynamic Harmonic Notch.
Otázky, problémy a návrhy týkající se této stránky lze vznášet na fórech. Problémy a návrhy mohou být zveřejněny na fórech nebo na Github Issue Tracker.
© Copyright 2024, ArduPilot Dev Team.
RPM (otáčky za minutu) a úhlový senzor je zařízení používané k měření pohybu, rychlosti nebo úhlové polohy rotujícího objektu – obvykle hřídele, osy nebo disku. Takové senzory jsou široce používány, od malých tiskáren až po velké výrobní stroje, automobily, letadla a mnoho dalších. Ale jak přesně fungují?
Abychom na tuto otázku odpověděli, musíme nejprve rozlišit různé typy senzorů. Existuje několik druhů založených na různých provozních principech a fyzikálních efektech. Dva nejběžnější jsou optické senzory a magnetické senzory.
Co jsou magnetické senzory?
Samotné magnetické senzory lze dále rozdělit do několika různých skupin klasifikovaných podle jejich specifického principu činnosti. Běžně se používají mimo jiné indukční snímače a snímače TMR (tunel magnetoresistance).
Co jsou indukční senzory?
Indukční senzor je jednoduchý magnetický senzor založený na základech elektrodynamiky – indukci proudu v důsledku změn magnetického pole. Obecně se indukční snímač skládá z cívky jádra připojené k permanentnímu magnetu na jednom konci cívky. Pokud se pak feromagnetický kus pohybuje kolem senzoru dostatečně blízko, magnetické pole v cívce se změní a vyvolá tok proudu ve vinutí cívky. Tento proud nebo odpovídající napětí pak lze měřit.
Obrázek 1 ukazuje zjednodušené schéma tohoto procesu s použitím feromagnetického ozubeného kola. Pokaždé, když zub ozubeného kola obejde senzor, indukuje se proud a naše měření vrcholí. Ze stejného důvodu je měření nejnižší, když mezera prochází. Získáme tedy oscilační signál, kde jediný kmit představuje jeden zub a průchod mezerou. Při znalosti celkového počtu zubů je pak možné vypočítat čas na otáčku a tedy i otáčky za minutu (RPM), frekvenci a úhlovou polohu.
Obrázek 1: Zjednodušené znázornění principů činnosti magnetického senzoru. Otáčením feromagnetického ozubeného kola se mění magnetické pole v cívce a indukuje se měřitelný proud.
Co jsou senzory TMR?
Senzory TMR se skládají ze dvou součástí: magnetu připevněného k rotujícímu předmětu a senzoru magnetorezistence (MR). Samotný MR senzor je vyroben ze dvou feromagnetických vrstev – kolíkové vrstvy a volné vrstvy – oddělených izolátorem. I když je magnetické pole kolíkové vrstvy pevné, magnetické pole volné vrstvy se může otáčet, a proto se mění podle magnetického pole vnějšího magnetu.
Snímač musí být umístěn v určité vzdálenosti od magnetu, aby byla umožněna interakce mezi dvěma magnetickými poli. Senzor pak měří změnu odporu aplikovaného magnetického pole vlivem vnějšího rotujícího magnetického pole vytvářeného rotujícím magnetem. Pokud jsou obě magnetická pole zarovnaná, a proto směřují stejným směrem, je odpor nízký. Pokud však vnější pole ukazuje opačným směrem než pole působící, naměříme vysoký odpor. Proto je možné získat periodu a úhlovou polohu kdykoli.
Obrázek 2: Zjednodušené znázornění principů činnosti senzoru TMR. Vlivem otáčení magnetu se odpor snímacího prvku mění s úhlem natočení.
Co jsou to optické senzory?
Optické senzory měří rotaci objektu měřením světla, které se periodicky odráží od samotného objektu. Za tímto účelem infračervený (IR) laser obvykle vysílá světlo na rotující předmět. Samotný předmět je označen lepicí páskou nebo jiným podobným reflexním materiálem, který odráží dopadající paprsek zpět na snímač. K měření odraženého světla se obvykle používá fotodioda, která převádí absorbované světlo na měřitelný proud. Každý vrchol intenzity světla v důsledku odrazu je paralelní s vrcholem elektrického signálu a umožňuje tak určit frekvenci, periodu, rychlost otáčení a úhlovou polohu.
Obrázek 3: Schematické znázornění principů činnosti optického snímače otáček. Ilustrace detekce zvýšeného signálu v důsledku silnějšího odrazu na jediném proužku pásky.
Co je zpracování signálu a úhlové polohování?
Výše popsané optické a indukční snímače lze shrnout jako inkrementální kodéry. Signály poskytované těmito senzorovými prvky (optické nebo magnetické) jsou typicky převáděny na obdélníkové signály prahovými spínači. Výstupní impulsy jsou přenášeny do vyhodnocovací elektroniky a počítány. Výsledný počet pulzů napočítaných za časový interval představuje míru změny polohy.
Pro získání informace o směru pohybu se používají dva mírně posunuté snímače, což má za následek dva asynchronní signály. Z posloupnosti náběžné a odtokové hrany obou signálů je možné určit směr pohybu. Nakonec, pro absolutní určení polohy, je jednou za otáčku implementován nulový impuls, který označuje začátek/konec otáčky.
Obrázek 4: Konvertované obdélníkové signály získané ze dvou mírně posunutých snímačů plus nulový impuls. Tato měření zahrnují vše potřebné pro absolutní určení polohy.
Optické senzory u DEWETRONU
Jak již bylo uvedeno, snímače otáček se používají v široké řadě strojů. Zamýšlený účel se však vždy liší – někdy je potřeba pouze jako doplňková informace k jiným měřicím kanálům a jindy může být zapotřebí pro specifické analýzy. V závislosti na použití senzoru je montáž a instalace někdy jednoduchá a někdy ne.
S našimi produkty – TACHO PROBE a TAPE SENSOR – nabízíme dva snadno použitelné a snadno instalovatelné optické senzory pro sledování zakázek, vyvažování pole, obecná měření otáček a také analýzu rotačních a torzních vibrací. Oba snímače jsou vybaveny konektorem LEMO a lze je přímo propojit se vstupem čítače LEMO měřicího systému DEWETRON. Vstup čítače LEMO zajišťuje kromě přenosu signálu také napájecí napětí – není tedy potřeba další napájení.
Obrázek 5: Praktické provedení páskového senzoru DEWETRON. Horní obrázek ukazuje namontovaný senzor plus reflexní černobílou pásku připevněnou k rotujícímu kolu. Spodní obrázek zobrazuje naměřená a zpracovaná data přes OXYGEN – intuitivní měřicí software DEWETRON.
Stručně řečeno, existuje spousta různých snímačů otáček a úhlu. Obvykle jsou založeny buď na optických nebo elektromagnetických efektech. Některé z nich mají složitější princip fungování a implementaci než jiné. My ve společnosti DEWETRON vám poskytujeme dva jednoduché, ale účinné optické senzory kombinované s vysoce detailním systémem měření pro různé praktické aplikace.
Poslední příspěvky
- Aplikační poznámka: Použití DEWE3-A4 v TU Graz Racing
- Co je WLTP? – Celosvětový harmonizovaný zkušební postup pro lehká užitková vozidla
- Řádová analýza
- OXYGEN 6.7 – Co je nového?
- Co je XCP?
