مطالب آموزشی مهندسی مکاترونیک
مهندسی مکاترونیک
1-طیف الکترومغناطیس و کاربردهای آنها
2-انواع کلاچ
3-سيستم مديريت منابع در گرید
4-تعریف گرید و انواع محيط های آن | Grid computing
5-نگاهی به نقش تراشه های AVR در پروژه های عملی مکاترونیک و رباتیک
1-طیف الکترومغناطیس و کاربردهای آنها
تکنولوژی کنونی میتواند حداکثر سیگنالهای مورد نظر تا فرکانس چند ده یا صد گیگاهرتز را تولید کرده و مورد استفاده قرار دهد. به این معنی که طیف مورد استفاده در سیگنالهای کنترل از راه دور حداکثر در محدوده مادون قرمز قرار می گیرد که به این محدوده طیف کامل رادیوئی نیز اطلاق میگردد و به چندین زیر مجموعه قابل تقسیم است.
محدوده امواج فرکانسی:
1-راديوهاي AM از ۵۳۵ کیلو هرتز تا ۱٫۷MHz
۲- راديوهاي موج كوتاه: ۲۶٫۱MHz تا ۵۰۹MHz
۳- راديوهاي باند شهري: ۲۶٫۹۶MHz تا ۲۷٫۴۱MHz
۴- راديوهاي FM از ۸۸MHz تا ۱۰۸MHz
و برخي تقسيمات جزئيتر عبارتند از:
سيستمهاي دزدگير، دربازكن بدون سيم پاركينگ و … : در حدود ۴۰MHz
تلفنهاي بدون سيم متداول: در حدود ۴۰ MHz الي ۵۰ MHz
هواپيماهاي مدل كنترلي: در حدود ۷۲MHz
ماشينهاي اسباببازي راديو كنترلي: درحدود ۷۵MHz
گردنبند رديابي حيوانات: ۲۱۵MHz الي ۲۲۰MHz
تلفنهاي سلولي (مانند موبايل): ۸۲۴MHz الي ۸۴۹MHz
تلفنهاي جديد بدون سيم: در حدود ۹۰۰MHz
سيستمهاي موقعيتياب ماهوارهاي: ۱٫۲۲۷MHz الي ۱٫۵۷۷MHz
ایستگاه تلویزیونی بین ۱۷۰-۲۲۰ مگا هرتز
ریموت کنترل درب حدود ۴۰ مگا هرتز
تلفن بیسیم استاندارد بین ۴۰ تا ۵۰ مگا هرتز
هواپیمای کنترل از راه دور حدود ۷۲ مگاهرتز
ماشینهای کنترل از راه دور حدود ۷۵ مگاهرتز
برچسب تعقیب اشیاء و حیوانات بین ۲۱۵ تا ۲۲۰ مگاهرتز
موبایل بین ۸۲۴ تا ۸۴۹ مگاهرتز
رادار کنترل ترافیک هوائی ۹۶۰ تا ۱۲۱۵ مگاهرتز
سیستم موقعیت یاب GPS بین ۱۲۲۷ تا ۱۵۷۵ مگاهرتز
مخابرات رادیوئی فضاپیماها با ایستگاه زمینی ۲۲۹۰ تا ۲۳۰۰ مگاهرتز
2-انواع کلاچ
به طور کلی کلاچ ها به دو دسته اصطکاکی و غیر اصطکاکی تقسیم می شوند که هر دسته می تواند ساده و یا مجهز به یک سیستم کنترلی الکترونیکی باشد یک کلاچ کنترل شده دارای عملکرد بهتر و طول عمر بیشتر است.
کلاچهای غیر اصطکاکی را می توان به انواع مختلفی تقسیم کرد از جمله:
کلاچ بدون لغزش:
اين نوع کلاچها دو حالت دارند؛ حالت خلاصي و حالتي که کلاچ کاملا درگير است. بنابراين در اين حالت لغزش يا سايش در کلاچ به هيچ عنوان مشاهده نمي شود.
کلاچ يکطرفه:
اين کلاچها در گردش از يک طرف همانند کلاچ بدون لغزش عمل مي کند، اما اگر چرخش در جهت مخالف صورت گيرد دو صفحه کاملا روي هم سر مي خورند و هيچگونه انتقال نيرويي صورت نمي گيرد؛
کلاچ یا کوپلینگ هيدروليک:
در اين نوع کلاچها نيرو را از يکي از صفحات به سيال و سپس از سيال به صفحه متحرک مورد نظر منتقل مي شود. يک کوپلينگ یا کلاچ هيدروليکي شامل يک پمپ (ايمپلر) و يک توربين با پره هاي داخلي است که روبروي هم قرار گرفته اند. پمپ بوسيله يک صفحه به فلايويل متصل است و توربين نيز به شافت ورودي گيربکس متصل مي شود.
کلاچهای اصطکاکی:
اساس عملکرد اين کلاچها درگيري دو صفحه داراي ضريب اصطکاک نسبتا بالاييست که اين درگيري سبب انتقال نيرو از يکي از صفحات به صفحه ديگر مي شود. معمولا دارای دو صفحه نمدی هستند که میتوانند باهم کاملا درگیر شده و یا در حالت درگیری نسبی (نیم کلاچ) قرار گرفته و قسمتی از توان را منتقل کنند که البته در این حالت تحت سایش قرار میگیرند.
کلاچ مخروطی(Cone Clutch):
در اين کلاچها همانگونه که از اسم آن پيداست سطوح اصطکاکي به شکل مخروطي هستند. هنگامي که کلاچ در گير مي شود، گشتاور از طريق فلايويل که سطح داخلي آن به شکل مخروطي است به سطح مخروطي ديگري که درون فلايويل جاي مي گيرد منتقل مي شود.
کلاچ تک صفحه اي (Single Plate Clutch):
در اين نوع کلاچ، صفحه اصطکاکي بين فلايويل و صفحه فشارنده نگهداشته مي شود و نيروي اعمالي توسط صفحه فشارنده سطوح را به هم مي چسباند. اين نيروي اعمالي از طريق يک پدال که بوسيله پاي راننده فشرده مي شود بوجود مي آید.
کلاچ تک صفحه اي با فنر ديافراگمي (Diaphragm Spring Clutch):
اساس کار اين نوع کلاچها همانند کلاچ تک صفحه اي است با اين تفاوت که در اينجا بجاي فنرهاي پيچشي از فنر ديافراگمي استفاده مي شود؛ اين فنرها در حالت عادي به شکل مخروط ناقص هستند، اما هنگامي که فشرده مي شوند حالت تخت به خود مي گيرند.
کلاچ چند صفحه اي یا مولتی دیسک:
عملکرد اين کلاچ همانند کلاچ تک صفحه اي است با اين تفاوت که در اينجا بجاي يک صفحه کلاچ، به تناسب گشتاور انتقالي مورد نظر از چندين صفحه اصطکاکي استفاده مي شود. اين امر باعث مي شود که کلاچ بتواند گشتاور بزرگتري را منتقل کند. بنابراين اين کلاچها بيشتر در خودروهاي سنگين يا خودروهاي مسابقه اي که به انتقال گشتاور بزرگتري نياز دارند، مورد استفاده قرار مي گيرد.
کلاچ نيمه گريز از مرکز (Semi-Centrifugal Clutch):
در اين نوع کلاچها، فنرها براي انتقال گشتاور در سرعتهاي معمولي طراحي مي شوند، در حاليکه در سرعتهاي بالاتر نيروي گريز از مرکز به انتقال گشتاور کمک مي کند. در اين کلاچها نيروي گريز از مرکز از طريق وزنه هايي بوجود مي آيد که همراه ساير اجزا دوار کلاچ مي گردند.
کلاچ گريز از مرکز (Centrifugal Clutch):
در اين نوع از کلاچها بر خلاف کلاچهاي نيمه گريز از مرکز، تنها از نيروي گريز از مرکز براي اعمال فشار بر روي صفحات و درگير کردن کلاچ استفاده مي شود.این نوع کلاچ در خودروهای کنونی به طور گسترده مورد استفاده است.
3-سيستم مديريت منابع در گرید
در گريد، منبع يك موجوديت قابل بازيافت و استفاده مجدد بوده كه مي تواند نيازهاي يك درخواست و يا وظيفه را برآورده سازد. اين منبع ميتواند يك ماشين، شبكه و يا حتی نرم افزار باشد. فراهم كننده منبع عاملی است كه منبع مورد نظر را سياست گذاری و كنترل مي نمايد و به طور مشابه مصرف كننده منبع، عاملي است كه از منبع استفاده ميكند.
مقايسه مشخصه های سيستمهای مديريت منابع در سيستمهای توزيع شده و گريد
يك سيستم مديريت منابع در يک سيستم توزيع شده سرويسي است كه مديريت حجم زيادي از منابع موجود در شبكه را به عهده گرفته و با توجه به سياستهای مالک منبع آنها را به طور بهينه به درخواستها نسبت می دهد.
مساله مديريت منابع در گريد عليرغم شباهتهای زياد با سيستمهای توزيع شده، از دو جهت عمده که در زير به آنها اشاره می شود با مديريت منابع درسيستمهای توزيع شده متفاوت است.
الف)نيازبه توجه در مباحث جديدی همچون ناهمگونی، قياس پذيري، توسعه پذيري، انطباق پذيري، استقلال، کيفيت خدمات و اختصاص همزمان منابع،در گريد که اين مباحث در سيستمهای توزيع شده مطرح نيستند.
ب) به علت شرايط خاص محيط گريد، بسياری از موارد مشترک با سيستمهای توزيع شده همچون پاسخگويي، تحمل خطا، پايداري و استفاده متوازن از منابع، در گريد نيازمند راهكارهاي متفاوتي به نسبت سيستمهای توزيع شده مي باشند.
سيستمهای توزيع شده سنتي عمدتاً يك دامنه مديريت شده محدود را شامل ميشوند و به همين دليل وظايف ارسال شده از سوي مشتريان، در همان محدوده مديريتي اجرا ميشوند. به همين منظور کيفيت سرويس در اينگونه محيطها با توجه به اولويت وظايف به نحو مطلوبی صورت ميگيرد. از سوي ديگر در گريد، به خاطر وجود درخواستها از دامنههاي مديريتی متفاوت و سطح تغييرات زياد(عدم وجود مرز مشخص) و همچنين به دليل اينكه اجراي يک تقاضا بستگي به نوع اجازههاي دسترسي، نوع منابع مورد نياز و منابع در دسترس براي تضمين سطح کيفيت سرويس دارد، فراهم كردن کيفيت سرويس بسيار دشوار مي باشد.
4-تعریف گرید و انواع محيط های آن | Grid computing
يان فاستر مبدع اصلی نام گريد و بنيان گذار گلوباس، گريد را به صورت زير تعريف می کند:
“فناوری گريد به دنبال بوجود آوردن امکان اشتراک منابع در مقياس وسيع و به صورت کنترل شده و انعطاف پذير است و بدين جهت به دنبال ايجاد پروتکلها، سرويسها و بسته های نرم افزاری است.”
در پروژه GridStart که يکی از پروژه های گريد در سطح اروپاست، گريد به صورت زير تعريف شده است:
” گريد گام بعدی اينترنت است که در آن پهنای باند بالا، محاسبات پرسرعت، حسگرهای هوشمند و پايگاه داده های عظيم به صورت انباری است که پنهان از ديد کاربران،مديريت شده و بنابراين به راحتی می تواند در اختيار همگان قرار گيرد. “
در شرکت IBM که يکی از پيشگامان در زمينه گريد می باشد گريد چنين تعريف می شود:
” محاسبات گريد، همان محاسبات توزيع شده است که پا به مرحله تکامل نهاده و هدف آن ارائه کامپيوتر مجازی بزرگ و خود مديريت شونده است “
درنهايت در پروژه گلوباس که استانداردترين پروژه گريد است، گريد به صورت زير تعريف می شود. اين تعريف به عنوان تعريف استاندارد گريد پذيرفته شده است.
“گريد به معنی زيربنايی برای يکپارچه سازی و استفاده مشترک از کامپيوترها، شبکه ها، پايگاه داده ها و تجهيزات عملی است که به سازمانهای مختلف تعلق دارد وتوسط خود آنها سياست گذاری و مديريت می شود.”
انواع محيط های گريد
سه رويكرد برای طراحي معماري گريد ارائه شده است : ۱٫ بهبود كارايي برنامه های كاربردي ۲٫ دسترسي به دادهها ۳٫ بهبود خدمات موجود در گريد. با اين ديدگاه سيستمهاي گريد در طبقه بندي كه در زیر ارائه ميشود، قرار ميگيرند.
مدل گريد محاسباتي، زماني مورد استفاده قرار ميگيرد كه مجموعه توانايي محاسباتي كامپيوترهاي موجود براي اجراي يك برنامه كاربردي، از تكتك كامپيوترهاي تشكيل دهنده گريد بيشتر باشد. بسته به نوع بهره گيري از اين توانايي، اين نوع گريد به دو دسته جزئيتر تقسيم ميشود كه به ترتيب ابرمحاسبات توزيع شده و گريدهاي با توان عملياتی بالا ناميده ميشوند. گريدهاي ابر محاسبهگر، معمولا يک برنامهي كاربردي را به صورت موازي بر روي چندين ماشين اجرا كرده و زمان اجراي آن را كاهش ميدهند. اين نوع گريد برای برنامه هايی همچون مدلسازي وضع جوی و شبيه سازهاي صنعتی ونظامی که محاسبات بسيار زيادي نياز دارند مناسب است. گريدهاي با عملكرد بالا بر خلاف حالت قبل، به دنبال انجام تعداد کارهای بيشتر در واحد زمان هستند.
گريدهای داده برای سيستمهايی طراحي شدهاند كه زير ساختار مناسبي را براي توليد اطلاعات از دادههاي توزيع شده موجود در سطح شبكه مانند كتابخانههاي ديجيتال و يا انبارههاي داده فراهم ميكنند.
از انواع ديگر گريد، گريدهای خدماتی ميباشند. اين نوع گريدها، خدماتي را كه هيچ ماشيني به تنهايي ارائه نمي كند به استفاده كنندگان گريد ارائه ميكنند.
5-نگاهی به نقش تراشه های AVR در پروژه های عملی مکاترونیک و رباتیک
در یک پروژه معمولی مکاترونیک معمولا نیاز به استفاده از تراشه ها و سیستمهای کنترلی جدید احساس نمی شود چرا که یک میکرو کنترلر AVR که معمولا در محیط CODEVISION برنامه نویسی می شود، می تواند بخوبی از عهده خواندن خروجی انواع سنسورها و انکدرها و تنظیم ورودی موتورهای محرکه برآید. بطور مثال در یک مکانیسم عادی مانند یک لنگ ولغزنده و یا چهارمیله ای حداکثر از سنسورهای مغناطیسی، شفت انکودرها و نهایتا ولت مترها و آمپرسنج ها استفاده شده و ورودی محرک نیز توسط انواع مختلف موتورهای الکتریکی DC یا AC و یا محرکهای هیدرولیکی–پنوماتیکی انجام می شود و انجام محاسبات کینماتیک و حتی کینتیک این سیستمها ویا حتی الگوریتم های کنترلی نیز وظیفه چندان حجیمی نیست که یک تراشه AVR از عهده آن برنیاید.
در این میان بنظر می آید که تنها گزینه باقی مانده برای مهندسین مکاترونیک استفاده از مینی کامپیوترهائی مانند RASPBERRY PI و یا ماژولهای پیشرفته PLC مانند محصولات شرکت زیمنس و یا حتی استفاده از کامپیوترهای PC و توسعه نرم افزار مورد نیاز میباشد. در هر صورت باز پس از ساخت هسته اصلی که وظایفی مانند دریافت ماتریسهای تصویری، عملیات بینائی ماشین و انجام الگوریتم های کنترلی را انجام دهد باز برای اعمال ورودیهای مورد نیاز و یا خواندن خروجی سنسورها باز نیاز به استفاده از تراشه های ارزانتر و ساده تر مانند سری AVR خواهیم داشت.
