PRILOG ČASOPISA “ABC tehnike” BR. 10 (616), ŠK. GOD. 2017./2018.
Robotski modeli za učenje kroz igru u STEM-nastavi – Fischertechnik (13) Razvoj suvremenih ekonomija i ekspanzija populacije u urbanim središtima diktira ubrzano planiranje i rast građevina unutar gradova koji se eksponencijalno šire. Gradnja suvremenih građevinskih objekata direktno je povezana s rastom broja stanovnika i novi je izazov za arhitekte i urbaniste XXI. stoljeća. Porast broja stanovnika u gradovima zahtijeva povećanje broja stambenih jedinica i prostorni je izazov za lokalne zajednice. Povećanje smještajnih kapaciteta rješavamo izgradnjom visokih građevina, unutar kojih se nalaze poslovni i stambeni prostori. Kretanje unutar takvih građevina olakšavamo automatiziranim dizalima bez kojih je nemoguće učinkovito i racionalno upravljati procesima. Automatizacija dizala omogućava protok ljudi i roba, te olakšava život čime pospješuje učinkovitost i rad. Život u gradovima bio bi sporiji i zahtjevniji bez dizala pokretanih pomoću složenih algoritamskih rješenja (programa).
Automatizirano dizalo
“STEM” U NASTAVI
Pažljivim odabirom zadanih elemenata Fischertechnik olakšavamo izgradnju funkcionalnog modela dizala. Dobar raspored konstrukcijskih elemenata na modelu dizala zahtijeva ozbiljno planiranje i dizajniranje pri njegovoj izradi. Prvi korak odabir je postolja na koje postavljamo konstukcijske blokove.
vi. Nakon zaustavljanja program provjerava stanje ulaza na fototranzistoru (I1) i motor se počinje vrtiti u suprotnom smjeru (cw), spuštajući dizalo dok ne prekinemo snop svjetlosti fototranzistora (I1). Motor (M4) se zaustavi i program ponovno očitava stanje fototranzistora. Program radi dok ga ne zaustavimo. Slika 13. FT dizalo K Slika 8. FT dizalo F
Slika 4. FT dizalo B
Na konstrukciju nosivog stupa postavljamo dvije zubne letve i podešavamo ih na sredinu nosivog stupa konstrukcije. Montažu getribe za zubnu letvu i motora te njihovo spajanje je jednostavno. Potrebno je paziti da motor zauzima krajnji položaj na donjoj strani getribe čime je osiguran prijenos vrtnje. Pretvorba gibanja iz kružnog u pravocrtno omogućena je pomoću zubne letve.
Slika 9. FT dizalo G
Izrada ožičenja modela dizala
Postupak nam osigurava sljedeći važan korak u oživljavanju našeg robotskog modela. Ožičenje lampica, fototranzistora, tipkala i motora s vodičima bitan je postupak pri čemu je naglasak na njegovom optimiziranju. Idealan raspored i duljina vodiča osigurava pravilan kontinuiran rad modela dizala i povezivanje sa sučeljem. Ispravno postavljanje i povezivanje spojnica definiranih bojama osigurava protok električne energije između elekričnih komponenata i sučelja.
Mehanička konstrukcija dizala je dizajnirana tako da je moguće na nju funkcionalno postaviti senzore (tipkala), rasvjetna tijela i indikatore kretanja položaja dizala koji su zaslužni za kontrolu gibanja.
Slika 17. TXT dizalo
Napomena: Povezivanje ulaznih i izlaznih elemenata sa sučeljem može biti drugačije od prikazanog. Svaki robotičar ima svoj način spajanja. Kod testiranja potrebno je precizno podesiti kabinu dizala radi točnog i pravovremenog pritiskanja tipkala koja zaustavljaju motor na pojednom katu. Izrada programa za rad dizala Zadatak_1: Napiši algoritam i dijagram toka (program) koji pritiskom na tipkalo (I4) zaustavlja elektromotor u gornjem položaju te ga pokreće prema dolje. Vrtnjom motora (M4) dostižemo krajnji položaj kabine dizala. Spuštanjem kabine do krajnjeg doljnjeg položaja prekidamo struju fototranzistoru koji mijenja smjer vrtnje elektromotora. Program se izvršava neprekidno dok ga ne isključimo. Slika 19. Motor kontrola 1
Pokretanje programa izvršava kretanje dizala između prvog i drugog kata pritiskom tipkala (I5) neprekidno između dva krajnja položaja. Zadatak_3: Napiši algoritam i dijagram toka (program) koji kontrolira trenutnu poziciju i kretanje dizala između prvog i drugog kata pomoću tipkala. Lampica unutar dizala uključena je dok se dizalo giba između katova i pritiskom na tipkala (I7 i I2) program se zaustavlja.
Slika 1. FT dizalo
Upravljanje radom modela dizala moguće je ostvariti uporabom osjetila (senzora) koji osiguravaju potpuni nadzor izlaznih komponenti automatiziranog sustava. Model dizala konstruiran je pomoću senzora (fototranzistora I1 i tipkala I2–I7) za kontrolu kretanja elektromotora po zubnoj letvi uz funkcionalnu svjetlosnu signalizaciju (lampice O1–O5). Senzor svjetlosti (fototranzistor I1) omogućava detekciju krajnjeg donjeg položaja dizala, a prekidač (tipkalo I4) zaustavlja dizalo u krajnjem gornjem položaju gdje je smješten prostor strojarnice kod pravih dizala. U slučaju kvara dizala ovlašteni inženjeri ulaze u strojarnicu gdje detektiraju i otklanjaju mogući kvar.
Slika 14. FT dizalo L
Slika 5. FT dizalo C
Prijenosni element je getriba zupčane letve koju spajamo s elektromotorom kako bismo omogućili smanjenje brzine okretaja motora i promjenu gibanja iz rotacije u translaciju pri čemu se kabina dizala giba gore ili dolje. Usporavanje brzine vrtnje motora ostvarujemo pomoću getribe zubne letve čija je glavna uloga promjena smjera gibanja.
Slika 10. FT dizalo H Slika 18. Motor kontrola Slika 15. FT dizalo M
Prije pokretanja potrebno je izvršiti detaljnu provjeru spojeva na sučelju i napajanju. Alat za test programa nalazi se u programu RoboPro koji pokrećemo i podešavamo u ovisnosti o opremi koju koristimo. Ovim postupkom provjeravamo ispravnost rada ulaznih i izlaznih elemenata.
Izrada konstrukcije modela dizala
Slika 6. FT dizalo D
Slika 2. FT dizalo elementi
Kompleksnost izrade konstrukcije dizala definirana je zahtjevom glavnog arhitekta i njegovom namjenom. Popis elemenata Fischertechnik korištenih u ovom modelu dizala osigurat će nam izradu funkcionalne konstrukcije. Učenje osnovnih principa izrade konstrukcije, ožičenja, povezivanja sa sučeljem i rješavanja problemskih zadataka izazov je za svakog robotičara.
Povezivanje elektromotora s getribom zupčane letve omogućuje funkcionalno podizanje i spuštanje kabine dizala.
Slika 11. FT dizalo I
Projektiranjem pozicije izvora napajanja (baterije) i smještanjem sučelja na postolje automatiziranog robotskog modela osiguravamo preduvjet za provođenje i spajanje vodiča ulaznih i izlaznih elemenata sa sučeljem.
Slika 16. TXT spajanje
Slika 7. FT dizalo E
Slika 3. FT dizalo A
Montiranje fototranzistora i lampice na dno modela dizala osigurava kontrolu krajnjeg dolnjeg položaja kabine dizala u kojem se dizalo zaustavlja u slučaju kvara. Prekidom snopa svjetlosti lampice (O5), fototranzistor (I1) zaustavlja motor (M4) dizala.
Slika 12. FT dizalo J
Uredno postavljanje vodiča u crvene i zelene spojnice osigurava preglednost i uštedu pri izradi duljina vodiča između robotskog modela i sučelja. Ukoliko nam pojedini elementi ne rade prilikom testiranja lako možemo detektirati kvar i otkloniti ga zamjenom ili popravkom vodiča ili spojnica.
Pokretanjem programa kontroliramo smjer vrtnje elektromotora (dizala) pomoću fototranzistora (I1) i tipkala (I4). Model dizala sastoji se od dva kata i mora zadovoljavati nekoliko uvjeta: Krajnji položaji senzora modela osiguravaju siguran rad dizala. Prvi kat mora biti precizno postavljen u odnosu na postolje. Drugi kat mora biti precizno postavljen u odnosu na prvi kat. Konstrukcija kabine dizala mora biti izrađena tako da osigurava nesmetano gibanje po zubnoj letvi kao i pravilan položaj senzora (tipkala I2, I3) koji zaustavljaju dizalo na katovima. Vodiče je potrebno postaviti tako da se nesmetano odvija rad dizala i svih električnih elemenata povezanih na sučelje. Važan dio svakog kata izrada je postolja na kojem je smješteno tipkalo za poziv na kat i signalizacija kretanja dizala (crvena i zelena lampica). Dolaskom na kat motor (M4) se zaustavlja, a lampica (O1 ili O2) prestaje svjetliti. Zadatak_2: Napiši algoritam i dijagram toka (program) koji pritiskom na tipkalo (I5) u kabini dizala, pokrene elektromotor koji se vrti u jednom smjeru (ccw). Vrtnjom motora dižemo kabinu dizala dok ne dostigne krajnji položaj i pritisne tipkalo (I4) koji motor (M4) zausta-
Slika 20. Dizalo
Pokretanje programa izvršava provjeru stanja tipkala (I7) koje ima ulogu pozivanja dizala na prvi kat. Očitanjem stanja na tipkalu (I2) kontroliramo proces detektiranja dolaska dizala i njegovo zaustavljanje na prvom katu, dizalo se zaustavi. Program nikada ne završava, već se odvija u beskonačnoj petlji.
PRILOG ČASOPISA “ABC tehnike” BR. 10 (616), ŠK. GOD. 2017./2018.
“STEM” U NASTAVI
Slika 21. Dizalo 1
Zadatak_4: Napiši algoritam i dijagram toka (program) koji upravlja radom dizala pomoću svih spojenih senzora (I1–I7). Pritiskom na tipkalo (I5), uključuju se i isključuju lampice (O2 i O3) u razmaku od pola sekunde. Program istovremeno izvršava dva usporedna procesa i omogućava kretanje dizala između dva kata ovisno o pozivu (pritisku) pojedinog tipkala. Lampica (O4) unutar kabine dizala konstantno svijetli, kao i lampica (O5) koja regulira rad fototranzistora (I1).
Slika 22. Dizalo 2
Zadatak_5: Napiši algoritam i dijagram toka (program) koji upravlja radom dizala pomoću senzora (I1–I7). U slučaju kvara ili izvanredne situacije u dizalu se nalazi tipkalo (I5) za pomoć. Lampica (O3) se neprekidno uključuje i isključuje u centru za nadzor dizala pritiskom na tipkalo (I5) svake 0,4 sekunde. Program istovremeno izvršava dva usporedna procesa i omogućava kretanje dizala između dva kata ovisno o pozivu (pritisku) pojedinog tipkala. Lampica (O5) osvjetljava fototranzistor (I1). Petar Dobrić, prof.
Slika 3. Osnovna shema spajanja
Slika 4. Spajanje LE-dioda
Ribarski i vatrogasni brod Nadamo se kako ste u proteklom vremenu napravili sve što vam je savjetovano. Mi smo na svojim brodovima napravili dosta dodataka, koji nisu opisivani u tekstovima, npr. svjetla kabine, reflektore, pozicijska svjetla na tornju, radarsku antenu. O svim tim detaljima možete zatražiti informacije na našoj Facebook stranici. U ovom broju objasnit ćemo kako ćete napraviti tiskanu pločicu, drvenu pločicu s dva servomotora i mikroprekidačima. Koju ćete tiskanu pločicu napraviti ovisi o tome koji ste brod napravili. Tiskane se pločice razlikuju, i to je potrebno uzeti u obzir. Prvo želimo objasniti kako će sve funkcionirati. Kako brodovi imaju puno više funkcija od raspoloživih kanala postojećih RC-uređaja, pristupili smo razradi drvene pločice sa servomotorom i mikroprekidačima te programiranju mikrokontrolera PIC 16F887 koji to sve objedinjuje i izvršava. Upravljanje svjetlima, reflektorima, pumpama za vodu, radarima, upravljanje kranovima i upravljanje mrežama omogućili smo postojećim brojem kanala na RC-stanicama, ali uz obaveznu izradu tiskane pločice i spomenute drvene pločice sa servomotorima i mikroprekidačima. Prvo izradite pločicu od šperploče koja će imati na sebi servomotor i dva mikroprekidača, Slika 1. Pločica s mikroprekidačima. Kako svatko može upotrijebiti različite servomotore i različite mikroprekidače, nismo za vas pripremili točne mjere, ali iz slike je vidljivo kako je servomotor umetnut u pločicu, kako su mikroprekidači postavljeni na povišenu pločicu, jer je na taj način omogućen pritisak ruke servomotora na polugu mikroprekidača. Morate voditi računa da servomotor tek u krajnjem položaju ruke vrši pritisak na polugu mikroprekidača. Također, ruka servomotora mora polako kliziti po poluzi, te mikroprekidači moraju biti u položaju kako je naznačeno na Slici 1. Na Slici 2. Pogrešan položaj mikroprekidača prikazali smo kako nikako ne smijete postaviti mikroprekidače, jer u tom slučaju može doći do blokiranja ruke servomotora i mogućeg loma neke od komponenti. Na svaki mikroprekidač potrebno je zalemiti dvije žice dužine barem 30 cm. Žice mogu biti veoma malog poprečnog presjeka, jer ćemo kroz njih propuštati napon od 5 V i izrazito male struje do 15 mA. Žice će se pričvršćivati na tiskanu pločicu u točno određene redne stezaljke (2 pina). Potrebno je izraditi takve dvije pločice. Namjena pločice je da omogući pojedinačno uključenje dva mikroprekidača pomoću jednog servomotora. Time smo omogućili “štednju” kanala, jer jednim kanalom upravljamo s dvije funkcije. To nam omogućuje mikrokontroler PIC 16F887 i njegov program, ali o tome ćemo poslije.
Izrada tiskane pločice Za ovu fazu potrebno je određeno iskustvo, ali ako nemate nikoga u blizini tko vam može pomoći, ne očajavajte. Putem naše Facebook stranice možete dobiti potpune informacije o izradi. Prema vašem brodu koji ste izradili, kupite ili nabavite materijal iz Tablice 1 Popis materijala za vatrogasni brod ili iz Tablice 2 Popis materijala za
Slika 1. Pločica sa mikroprekidačima
ribarski brod. Tiskana pločica izrađuje se od dvostrane pločice Vitroplast dimenzija 100 mm x 80 mm. Pločica je izrađena u programskom paketu Eagle i svi fileovi nalaze se na našoj Facebook stranici te se mogu besplatno skinuti. Sam program Eagle također je besplatan (s određenim ograničenjima, ali za nas nebitno), te se i on može skinuti na sljedećoj adresi https://www.autodesk.com/products/ eagle/free-download. I možda za neke najteže ostvarivo, učitavanje programa u mikrokontroler. Za to bi vam trebao programator, što bi opet iziskivalo nove pločice (programator za PIC), programe za PC itd. Kako bismo vam pomogli, svi oni koji trebaju pomoć oko učitavanja programa u PIC neka nam se obrate na Facebook stranici i mi ćemo vam to besplatno napraviti (morate samo imati svoj PIC). Program mikrokontrolera Mikrokontroler PIC 16F887 izuzetno je snažan i pouzdan mikrokontroler. U njega se “učitava” program koji nam omogućava dodatne funkcije. Po uključenju program prvo od vas zahtijeva da pomoću trimer otpornika odredite brzinu okretanja radarske antene. Kada ste odredili brzinu okretanja antene radara, pritiskom na taster označen na tiskanoj pločici S2 potvrđujete željenu brzinu i program sada počinje s izvršavanjem glavnog dijela programa. On ispituje pinove i kada vi pomoću servomotora uključite neki od mikroprekidača PIC dobije signal i on “zna” što treba uključiti. Na prvi pritisak servomotora na mikroprekidač, Slika 2. Pogrešan položaj mikro- PIC uključuje određenu prekidača funkciju, a na drugi pritisak isključuje tu funkciju. Tako se pale sva svjetla, reflektori i pumpa za vodu. Kod ribarskog broda za spuštanje krana prema vodi potrebno je dati signal i tada PIC mjeri vrijeme, te nakon 9 V sekundi isključuje motor. Na ponovljeni pritisak podiže vitlo i motor radi isto tako samo 9 sekundi. Isti princip je primijenjen za otpuštanje i privlačenje mreže, ali je vrijeme nešto duže, 12 sekundi. To je napravljeno kako bi vas oslobodilo neprestane kontrole i zakašnjele reakcije, a što može uzrokovati probleme pri spuštanju i podizanju krana ili mreže. Program možete resetirati pritiskom na taster S1, te će program krenuti od početka. Crvena LED-dioda signalizira da ste pravilno spojili akumulator i tiskanu pločicu. U trup je potrebno ugraditi akumulator od 12 V i 7 Ah. Možda će vam se akumulator činiti “presnažnim”, ali imate dovoljno različitih potrošača i kada započnete plovidbu, nikako je ne biste željeli nakon desetak minuta i završiti. Ovakav akumulator daje vam dovoljno vremena za uživanje. Sljedeće ugrađujete tiskanu pločicu i dvije drvene pločice sa servomotorima.
MODELARSTVO
I sada slijedi spajanje svih kablova. Nemojte se preplašiti količine kablova, sve je to jednostavno. Sada ćemo prvo objasniti funkcije svakog broda. Vatrogasni brod Taj brod imat će sljedeće funkcije: • kretanje naprijed-nazad, • skretanje lijevo-desno, • paljenje i gašenje svjetla, • paljenje i gašenje reflektora, • paljenje i gašenje pumpe za vodeni top, • pokretanje cijevi vodenog topa po pravcu i po visini, • radar. Za spajanje prijamnika, servomotora, speed controllera, vaših drvenih pločica sa servomotorima i tiskane pločice pogledajte Sliku 3. Osnovna shema spajanja. Predlažemo da motor za pokretanje broda uključite na treći kanal vašeg prijamnika, skretanje broda lijevo i desno na četvrti kanal. Nemojte zaboraviti spojiti speed controller i na akumulator pazeći na polaritet, jer bez tog spajanja vaš prijamnik neće raditi. Time ste osnovno upravljanje brodom stavili na jednu palicu na predajniku za daljinsko upravljanje. vNa prvi kanal uključite servomotor kojim upravljate cijev vodenog topa po visini, a na drugi kanal spojite servomotor kojim ćete upravljati cijev vodenog topa po pravcu. Na peti i šesti kanal uključite servomotore s pločice koju ste izradili. Izuzetno je važno napomenuti kako je potrebno posebnu pozornost posvetiti “uvjetovanosti ulaza i izlaza”. Npr., to znači da ulaz označen na tiskanoj pločici kao JP1 upravlja izlazom označenim kao JP5. U Tablici 3 Ulaza i izlaza vidljivo je koji su ulazi povezani s kojim izlazima i što time upravljate. To je napravljeno zato što mikrokontroler provjerava stanje točno određenih pinova i po njihovom stanju on “zna” što treba napraviti. Napomena: Sva svjetla i reflektore morate spojiti na odgovarajući način poštivajući plus i minus na kontaktima i LED-diodama (svjetla i reflektori). Pogledajte Sliku 4. Spoj LED-dioda na kojoj su objašnjeni svi izlazi za oba broda i s rasporedom kontakata na LED-diodama. Na pločicama su plus polovi postavljeni na lijevom kontaktu kod svih rednih stezaljki. Ribarski brod Taj brod imat će sljedeće funkcije: • kretanje naprijed-nazad, • skretanje lijevo-desno, • paljenje i gašenje svjetla, • paljenje i gašenje reflektora, • dizanje i spuštanje krana, • otpuštanje i namatanje konopca mreže, • radar. Kao i za vatrogasni brod za spajanje prijamnika, servomotora, speed controllera, vaših drvenih pločica sa servomotorima i tiskane pločice pogledajte Sliku 3. Osnovna shema spajanja. Također je potrebno slijediti podatke iz Tablice 4 Ulaz i izlaz – ribarski brod. Već smo u poglavlju Program mikrokontrolera opisali princip rada. Kod ribarskog broda, za razliku od vatrogasnog, radar je neprekidno uključen, te zato on nema ulaz (u Tablici 4). Kada to sve ugradite u svoj brod i isprobate, vaš je brod spreman za plovidbu. Pri prvoj plovidbi ocijenite koliki je gaz vašeg broda, isprobajte stabilnost vašeg broda i ako ste zadovoljni brodom, krenite u plovidbu. Nadam se kako ste uživali u radu, a još više u plovidbi. Pošaljite svoje slike i videouratke na našu Facebook stranicu. Sve dodatne informacije možete dobiti preko Facebook grupe Brodomodel_vatrogasac_ribarski (https://www.facebook.com/groups/191379555553284 3/?source=create_flow) Miljenko Majstrović