МЕХАТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ПУТЕВОГО ШАБЛОНА

АННОТАЦИЯ

В работе описывается мехатронное устройство путевого шаблона предназначенное, для применения в технологическом процессе обслуживания стрелочных переводов путем измерения и оценки параметров промера, а именно определения ширины колеи и взаимного положения рельсовых нитей по высоте

Разрабатываемое устройство размещаться на путевом шаблоне дорожного мастера и поддерживает автономный режим работы.

Ключевые слова: Путевой шаблон, стрелочные переводы, геометрического состояния пути, ширина колеи, уровень взаимного положения рельс, мехатронное устройство.

Разработанное мехатронное устройство позволяет автоматизировать ввод результатов промеров , что бы упростить работу путевых обходчиков, сократив время снятия промера и внесения данных в общую базу.

Мехатронное устройство управляется платой Arduino Nano являющимся полнофункциональным миниатюрным устройством на базе микроконтроллера ATmega328, адаптированным для использования с макетными платами. Плата была выбрана исходя из ее широкого функционала и небольшого размера.

Плата Arduino имеет собственную интегрированную среду разработки, а именно кроссплатформенное приложение на Java, включающее в себя редактор кода, компилятор и модуль передачи прошивки в плату.

Среда разработки основана на языке программирования Processing. Язык программирования аналогичен используемому в проекте Wiring. Программы для Arduino пишутся на обычном C++, дополненным простыми и понятными функциями для управления вводом/выводом на контактах. Программы обрабатываются с помощью препроцессора, а затем компилируется с помощью AVR-GCC.

Выводы платформы Arduino могут работать как входы так и выходы. Так же аналоговые выходы Arduino могут конфигурироваться и работать так же, как и цифровые порты ввода/вывода

В микроконтроллерах ATmega328 реализована поддержка последовательных интерфейсов I2C (TWI) и SPI. В программное обеспечение Arduino входит библиотека Wire, позволяющая упростить работу с шиной I2C.

ATmega328 в Arduino Nano выпускается с прошитым загрузчиком, позволяющим загружать в микроконтроллер новые программы без необходимости использования внешнего программатора. Взаимодействие с ним осуществляется по оригинальному протоколу STK500 .

На рисунке 1 представлена структурная мехатроного устройства путевого шаблона в которую входят: микропроцессорная плата Arduino nano, Аккомулятор, LCD экран электронная линейка KTF-1750, Bluetooth hc-05, датчик угла наклона инклинометр STS-112-2, кнопка включения, резистор на 10 кОм

Рисунок 1. Структурная схема мехатронного устройства путевого шаблона

Электронная линейка KTF-1750 Liner применяется для измерения ширины колеи - это несложное механическое устройство, которое генерирует различное сопротивление на выходе при движении ползуна. Пропуская напряжение через себя и подавая его на аналоговый вход платы Arduino, вы можете измерять сопротивление, которое генерируется линейкой в аналоговом виде. В данном примере вы реализуете отслеживание состояния вашего датчика с помощью настройки обмена данными вашей платой Arduino с компьютером по серийному протоколу.

Когда движется ползунок линейки, меняется сопротивление на краях проводника, который подключен к центральному коннектору. Когда сопротивление между центральным коннектором и боковым, который подключен к 5 вольтам близок к 0 (а сопротивление на другом конце близко к 10 кОм), напряжение на центральном пине близится к 5 вольтам. Когда сопротивление меняется, напряжение на центральном пине стремится к земле, то есть к 0 вольт. Это напряжение является аналоговым, которое и считывается в качестве входного сигнала.

На платах Arduino есть встроенный аналогово-цифровой преобразователь, который считывает меняющееся напряжение и преобразует его в числовое значение в диапазоне от 0 до 1023. В момент, когда вал повернут до упора в одном из направлений, на пине будет 0 вольт, значение, которое сгенерируется будет равно 0. Когда вал повернут до упора в другом направлении, на пин подается 5 вольт и числовое значение будет равно 1023. В положениях между крайними, функция analogRead() возвращает цифровое значение в диапазоне между 0 и 1023, которое будет пропорционально напряжению на пине. В работе использовался метод юстировки, были произведены расчеты и значения диапазона преобразователя юстировались в значение шкалы установленной на шаблоне.

Для отображения информации используется LCD 16x2, на графическом жидкокристаллическом дисплее одна большая сетка пикселей. На нем можно отобразить текст, но лучше выводить изображения. Графические LCD обычно больше по размерам, на них больше контактов для подключения.

Модуль угла наклона инклинометр STS-112-2 применяется для определения взаимного положения рельсовых нитей по высоте.

Наклон определяют с помощью силы гравитации Земли, геомагнитного поля, гироскопического эффекта или применяют косвенные измерения. Если единственной силой, действующей на объект является сила гравитации, то в этом случае для определения статичного угла наклона используется MEMS-акселерометр , прибор, который измеряет проекцию ускорения (суперпозицию собственного ускорения акселерометра и вектора гравитации) на его чувствительную ось. По величине измеренной проекции определяется угол наклона. Сила гравитации имеет постоянную величину любые дополнительные силы, действующие на объект, изменят выходные данные акселерометра, а следовательно в расчете угла наклона.

На рисунке 2 изображен интерфейс среды разработки Arduino. Содержит следующие основные элементы: текстовый редактор для написания кода, область для вывода сообщений, текстовая консоль, панель инструментов с традиционными кнопками и главное меню. Данный софт позволяет компьютеру взаимодействовать с Arduino как для передачи данных, так и для прошивки кода в контроллер.

Рисунок 2. Интерфейс среды разработки Arduino

Программы, создаваемые в среде разработки Arduino, иногда еще называют скетчами. Скетчи пишутся в текстовом редакторе и сохраняются в файлах с расширением .ino. Встроенный текстовый редактор имеет стандартные инструменты копирования, вставки, поиска и замены текста. Область сообщений в окне программы является, своего рода, обратной связью для пользователя и информирует его о событиях (в том числе и об ошибках), возникающих в процессе записи или экспорта написанного кода. Консоль отображает в виде текста поток выходных данных среды Arduino, включая все сообщения об ошибках и пр. генерируемую ею информацию. В нижнем правом углу окна программы показывается модель текущей платы и последовательный порт, к которому она подключена. Кнопки на панели инструментов предназначены для создания, открытия, сохранения и прошивки программ в устройство.

Для удобства а Arduino IDE используются стандартные библиотеки для упрощения работы с датчиками.

Работа датчиков мехатронного устройства путевого шаблона синхронизирована со специализированным ПО стороннего ПК, через устройство связи. Дорожный рабочий задает номера:

-Станции

-Парка

-Объекта

-Точки промера

Эти параметры передаются и отображаются, на LCD экране. Позволяя рабочему наглядно увидеть и сравнить измеряемые параметры с показаниями на механическом шаблоне

Что позволяет исключить ошибки в привязке снимаемых параметров к месту промера.

На рисунке 3 отображен интерфейс мехатронного устройства путевого шаблона.

Рисунок 3. Интерфейс мехатронного устройства путевого шаблона

На экране отображаются основные параметры, место и точки на которых проводятся измерения, а также результаты измерений. Позволяя мастеру проводящему измерения сравнить результаты с механическим шаблоном, перед отправкой данных на планшетный ПК.

Разрабатываемое мехатронное устройство путевого шаблона предназначено для применения в технологическом процессе обслуживания стрелочных переводов путем измерения и оценки параметров ширины колеи и уровня возвышения двух параллельных рельсов относительно друг друга. Имеет модульную систему, позволяющую легко заменять и добавлять комплектующие, расширяя функционал системы, а благодаря невысокой стоимости комплектующих, возможно массовое применение.

Дальнейшим направлением развития мехатронного устройства является расширение его функциональных возможностей необходимых для более широкой диагностики пути и стрелочных переводов, путем увеличения измерительных средств в устройстве.

Список литературы:

1. Петин В. А. П29 Проекты с использованием контроллера Arduino. — СПб.: БХВ-Петербург, 2014. — 400 с.: ил. — (Электроника)
2. Петин В. А. П29 Проекты с использованием контроллера Arduino. —  2-е изд., перераб. и доп. — СПб.: БХВ-Петербург, 2016. — 464 с.: ил. — (Электроника)
3. Соммер У. С61 Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino: Пер. с нем. —  2-е изд., перераб. и доп. —  СПб.: БХВ-Петербург, 2016. — 256 с.: ил. — (Электроника)
4. Черничкин М. Ч-49 Большая энциклопедия электрика/ Черничкин Михаил Юрьевич. —  М.: Эксмо, 2011. —  272с.: ил.