Prinzipien und Komponenten eingebetteter Systeme

Transkript

1 1 Prinzipen und Komponenten Eingebetteter Systeme (PKES) (6) Aktoren und Energieversorgung Sebastian Zug Arbeitsgruppe: Embedded Smart Systems

2 2 GPS Bezeichnung: eigentlicher Name NAVSTAR (Navigation System for Timing and Ranging), bekannt aber als GPS (Global Positioning System). Systemaufbau Weltraumsegment (mind. 24 Satelliten auf 6 Umlaufbahnen) - 4 bis 8 Satelliten sind immer sichtbar (egal wann und wo) Kontrollsegment (Kontrollstationen) Benutzersegment (passive GPS- Empfänger) Andere Systeme: Galileo (Europa, im Testbetrieb), GLONASS (Russland), Compass (China, im Aufbau), Source:

3 3 GPS - Funktionsweise 3 Satelliten sind nicht genug! Wegen der fehlenden Genauigkeit der Empfängeruhr werden 4 Satelliten benötigt!

4 4 Frei empfangbare GPS-Daten Satelliten-ID, Zeitstempel GPS Zustandsinformationen

5 5 GPS - Datenframes vollständiges Datensignal besteht aus bit, bei der Übertragungsgeschwindigkeit von 50 bit/s bedeutet dies eine Übertragungsdauer von 12,5 Minuten. Diese Zeit benötigt ein GPS- Empfänger bis zur ersten Positionsbestimmung wenn er noch keine Daten über die Satelliten gespeichert hat oder diese veraltet sind. Der GPS-Datenrahmen besteht aus Subframes für: - Korrekturdaten für die Empfänger-Zeitreferenz, - die Bahndaten, - Korrekturdaten und - das Almanach. Source:

6 6 Assisted Global Positioning System Herausforderungen: Traditionelles GPS für kontinuierlich aktiven Empfänger im Freien häufige Unterbrechungen nicht vorgesehen (die Neuberechnung der aktuellen geografischen nach Kidnapping dauert lange) In urbanen Szenarien ist die freie Sicht auf die Satelliten oft eingeschränkt, in geschlossenen Räumen sogar unmöglich Der Stromverbrauch des Satellitenempfängers ist im Vergleich zu den geringen Akku-Kapazitäten mobiler Geräte verhältnismäßig hoch. Lösungen: A-GPS nutzt Zusatzinformationen (WLAN, GSM-Netze) zur Bestimmung des ungefähren Aufenthaltsortes-> Positionsbestimmung führen schneller zum Erfolg führen. Die Satellitendaten werden über das Internet abgefragt und nicht über GPS Nachrichten.

7 7 Fehlerquellen "selective availability" (SA) bis 2. Mai künstliche Verfälschung der vom Satelliten übermittelten Uhrzeit im L1 Signal. Schwankungen um ca. 50 m in schmalen Zeitfenstern Satellitenanordnung beeinflusst Lokalisierungsgüte (schleifender Schnitt) Abblocken der Signale durch Hindernisse Mehrwegeeffekte Atmosphärische Effekte (Brechung, Geschwindigkeitsreduktion, unterschiedliche Strecken in verschiedenen Schichten) Source:

8 8 GPS Genauigkeiten und Qualitätseinschätzung Dilution of Precision (DOP) VDOP = Vertical DOP 1D HDOP = Horizontal DOP 2D PDOP = Positional DOP. Quelle Satellitenposition Uhrenfehler Atmosphäreneffekte Mehrwegeffekte Ortsfehler 2.5m 2m 5m 1m Die DOP Werte beschreiben das Verhältnis zwischen einem Lokalisationsaspekt und der Gesamtstreuung Source:

9 9 Teamprojekte, Bachelorarbeiten

10 10 Bis zur nächsten Woche

11 11 Veranstaltungslandkarte Fehlertoleranz, Softwareentwicklung Mikrocontroller Architekturen Sensoren Scheduling Arithmetik Anwendungen Aktoren Kommunikation Energieversorgung

12 12 Literaturhinweise Roland Siegwart, Illah Reza Nourbakhsh, Davide Scaramuzza Introduction to Autonomous Mobile Robots The MIT Press, 2. Auflage, 2011 Friedrich Plötzeneder, Andreas Plötzeneder Powerprojekte mit Arduino und C Franzis Verlag, 2013 J. L. Jones, A. M. Flynn, Mobile Robots: Inspiration to Implementation, AK Peters/CRC Press, 1998

13 13 Fragen an die Veranstaltung 1. Welche Formen mobiler Energieversorgung gibt es? 2. Welche Umgebungsparameter sind für die Auswahl einer Energieversorgung im Hinblick auf eine konkrete Anwendung entscheidend? 3. Welche Herausforderungen müssen im Hinblick auf die Versorgungsspannung bewältigt werden? 4. Welche Nachteile hat ein Festspannungsregler wie der 7805? 5. Wie bestimmen Sie, welchen Ladungszustand ein Akkumulator hat? 6. Nach welchen Eigenschaften lassen sich die Aktoren klassifizieren, die in robotikorientierten Anwendungen zum Einsatz kommen? 7. Beschreiben Sie Varianten der Ansteuerung von 7-Segment- Anzeigen. 8. Erläutern Sie, warum Elektromotoren die wichtigste Antriebsform für Aktuatoren darstellen?

14 14 stationär kabelgebunden (teilweise) mobil drahtlose Energieübertragung Akkumulatoren Brennstoffzellen nukleare Energie Solarzellen Peltierelemente Formen der elektrischen Energieversorgung Beachte: Viele Systeme kombinieren mehrere Energieformen, wie zum Beispiel pneumatische oder hydraulische Anlagen. Source:

15 15 Energiedichte Bezugssysteme: Volumen, Masse Source:

16 16 Beschränkt autonom-drahtlose Energieübertragung + Unabhängigkeit von lokalen Speichermedien + keine Kabel - Entweder geringer Wirkungsgrad oder geringe Reichweite - Technischer Aufwand Source: Gerhard Wiesspeiner, BTI - Technologie und Innovation,

17 17 Laserbasierte Energieübertragung +Kollimiertes monochromatisches Wellen mit hoher Energiedichte +Große Reichweiten +Geringe Abmessungen des Empfängers +Keine Interferenzen durch Funkmedien Gefährdungspotential Richtungsgebundener und längenabhängiger Wirkungsgrad Element Verluste Optik 5 % autom. Nachführung 1 5 % Solarzellen 60 % Transformation 20 % Gesamt % Source: Universität des Saarlandes

18 18 Induktive Energieübertragung +Hoher Wirkungsgrad bis zu 98% +Niedrige Frequenzen möglich (50 Hz) +Übertragung im Unterwasserbereich möglich Limitierte Reichweite Miniaturisierung beschränkt Leistung Verluste durch Streuinduktion Ummagnetisierungsaufwand Wirbelströme Source: elector.de Source: Gerhard Wiesspeiner,

19 19 Induktive Energieübertragung für mobile Systeme Industrieller Einsatz für autonome Transportsysteme Source:

20 20 Akkumulatoren Ein Akkumulator (cumulus = Haufen, (ad-)ac-cumulare = anhäufen) ist eine elektrochemische Einrichtung, die elektrische Energie durch Umwandlung in chemische Energie speichern und durch Rückumwandlung wieder abgeben kann. Für den Einsatz ist die Kombinierbarkeit in Reihenschaltung und Parallelschaltung von großer Bedeutung. Kapazität und Stromstärke können damit konfiguriert werden. Die Zellspannung ist typabhängig. U-Boot Batterie 2. Weltkrieg Source:

21 21 Allgemeine Eigenschaften von Akkumulatoren Kapazität (zumeist in Ah) / Nennspannung Wirkungsgrad Bleiakkumulator 60-70% Lithium bis zu 95% Selbstentladung (temperatur- und ladungsabhängig) monatlich Lithium < 2 % Bleiakkumulator 2 5 % (Blei-Gel) NiMH 1 25 % Memory-Effect Trägheitseffekt Geometrische Fragen

22 22 Aufbereitung In der Regel ist eine Anpassung der bereitgestellten elektrischen Energie notwendig. Zielstellungen: Wechselspannung -> Gleichspannung Spannungsversorgung eines Mikrocontrollers aus Wechselspannungsnetz Gleichspannung -> Wechselspannung Ansteuerung eines Bürstenlosen Motors gespeist aus einem Akkumulator Pegelanpassung / Stabilisierung Entstörung Source: gor.de/l1bau saetze/gp2d1 2.shtml GP2D12 ohne Entstörkondensator mit Entstörkondensator

23 23 Erzeugung von Gleichspannung Einweggleichrichter Brückengleichrichter Glättung über Kondensator (Faustregel 1mF für 1A Strom) üblich auch die rombenförmige Darstellung (Graetzschaltung) Source:

24 24 Festspannungsregler Ausgangspunkt: - Schwankende Eingangsspannung - Lastabhängigkeit Lösung: Regelkreis, Sollwert wird über einer Referenz gebildet (hier einer Z-Diode 0.6V) Reaktion auf Differenzen zwischen Soll- und Istwert über Stellglied Integrierte Spannungsregler Source: Universität Stuttgart, Vorlesung Robotik I Source:

25 25 Alternativen Schwächen: - Feste Ausgangsspannung - Differenz zwischen Eingangs und Ausgangsspannung nötig (2..3V) - Wirkungsgrad durch Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung bestimmt - Umsetzung der Verluste in Wärme Lösungen: - Low Drop Spannungsregler - Einstellbarer Spannungsregler - Schaltregler Source: Farnell.com

26 26 Schaltregler LM2736 (Arduino ADK) Vin =3 18V

27 27 Aktoren (Wandler; Antriebselemente) setzen die elektronischen Signale in mechanische Bewegung oder andere physikalische Größen um und greifen damit aktiv in die Umgebung des eingebetteten Systems ein. Zugeführte Energieform (elektrischer Strom, Brennstoff) abgegebene Energieform (mechanische Energie, Wärme, magnetische Felder, Strahlung ) Freiheitsgrade (maximal 6, linear Gelenke, Rotation) Diskret / wertkontinuierlich Beispiele: Dioden, 7-Segement-Anzeigen, Displays Ventile (Pneumatik, Hydraulik) Motoren (Gleichstrom/Wechselstrom) Magnete (Manipulatoren, Lautsprecher)

28 28 Digitale Ausgänge Herausforderung Schaltstrom Ausgangsstrom beim AVR maximal ~20mA. Bei größeren Verbrauchern ist eine Schaltstufe erforderlich! Unmittelbar Bipolartransistor (NPN) Relaisstufe Source: mikrocontroller.net

29 29 Maximalen Zahl ansteuerbarer digitaler Elemente Hyperplexining mit N*(N-1) Source: Dr. Günther Spanner, AVR-Mikrocontroller in C programmieren

30 30 Variante 1 Integration eines Encoders Digitale Ausgänge Herausforderung Pinanzahl Source: %20Sichtbare%20Binaerzahlen.htm

31 31 Digitale Ausgänge Herausforderung Pinanzahl Variante 2 : Sequentielle Geräteanforderung (Multiplexer) 100Hz Schaltfrequenz Source: mikrocontroller.net

32 32 Variante 3 : Shift-Register (Sequenzialisierung) Digitale Ausgänge Herausforderung Pinanzahl Source: Powerprojekte mit Arduino und C

33 33 Beispiel - Pneumatik Wirkprinzip: Luftdruckpumpe und steuerbare Ventile +Geringere Druckniveaus als in der Hydraulik +Unempfindlich gegen Termperaturschwankungen +komplexe Schaltlogiken +hohe Geschwindigkeiten +Rückführung des Fluids entfällt Kompressibilität des Fluids (Schwingungen) Geschwindigkeit nicht regelbar Teuer im Betrieb Source: biorobots.cwru.edu Source: festo.com

34 34 Analoge Ausgänge Ziel ist ein quasi-kontinuierliches Ausgangssignal Parallelumsetzer Wägeverfahren Sequentielles Verfahren Herausforderungen: Lastunabhängigkeit! Hohe Auflösung Source: mikrocontroller.net

35 35 Übergreifendes Beispiel - Gleichstrommotor Beispiel: Permanenterregter Gleichstrommotor +Energieeinsparung durch statisches Magnetfeld +Einfacher Aufbau +Großes Einsatzspektrum Bürstenkontakte Keine Anpassung des Magnetfeldes möglich Source:

36 36 Beispiel Gleichstrommotor - Kennline Leerlaufdrehzahl Anlaufstrom P = U I Drehzahlkennlinie (blau) N=f(U,M) Stromkennlinie(schwarz) N=f(U,M) Wirkungsgrad(grün) Anlaufmoment P = U I = M N Source:

37 37 Übergreifendes Beispiel - Gleichstrom Geschwindkeitsdefinition über PWM M + - Periode + - Spannung am Motor 50% ma 90% 10%

38 38 Richtungsorientierung über H-Brücke Übergreifendes Beispiel - Gleichstrommotor M M - M

39 39 Praktische Anwendung L298P Source: Arduino Homepage STMicroelectronics, Datenblatt L298P

40 40 Schittmotor Schrittweise Bewegung des Stators - diskrete Positionierung Varianten: Bipolar, Unipolar Source: Wikipedia.de

41 41 Bis zur nächsten Woche