SMACONT | Контроллер управления сервоприводами и светодиодной подсветкой для полноростовых крыльев

Содержание

Общее описание
Описание платы контроллера
Варианты управления контроллером
Особенности организации питания платы контроллера
Реализация светодиодной подсветки
Установка световодов
Конфигурирование WiFi-модуля SC120

Общее описание

Контроллер предназначен для управления приводом и светодиодной подсветкой полноростовых крыльев костюма для выступлений. В качестве управляющего контроллера используется стандартный WiFi-модуль SC120, сконфигурированный для работы с сервоприводами по заданному алгоритму.

Внешний вид контроллера на базе WiFi-модуля SC120

В контроллере предусмотрено три режима движения крыльев:
- режим 1: полный размах крыльев;
- режим 2: "подергивание" крыльев в разложенном состоянии;
- режим 3: "подергивание" крыльев в сложенном состоянии.

Светодиодная подсветка включается при движении крыльев. Период изменения цвета и яркости всечения совпадает с периодом движения крыльев, в зависимости от выбранного режима.

При отключении движения крыльев, крылья автоматически возвращаются в сложенное состояние, вне зависимости от положения, в котором произошло отключение.

Ниже представлено видео работы контроллера. В качестве привода использованы небольшие сервоприводы Tower Pro MG90S с металлическим редуктором (латунно - алюминиевый сплав). Макет выполнен из конструктора Lego.

Для приводов полноростовых крыльев используется два сервопривода MG996R. Основными аргументами для применения сервоприводов были:
- отказ в необходимости в датчиках крайнего положения (при управлении сервоприводов можно задавать определенные углы отклонения крыльев, а также их скорость движения);
- минимальное количество управляющих линий (по одной линии на каждый сервопривод);
- за счет использования двух сервоприводов упростилась механическая часть конструкции (нет необходимости в дополнительных устройствах в виде редукторов и/или кривошипно-шатунных механизмах), но и равномерно распределилась нагрузка на двигатели;
- значительно меньшие масса-габаритные показатели, по сравнению с применением двигателей с редукторами;
- невысокая стоимость.

Сервопривод MG996R

Характеристики сервопривода MG996R

- Рабочее напряжение: 4,8...7,2В
- Крутящий момент: 10кг/см (4,8В) 12кг/см (6В)
- Скорость работы: мин. 0,17сек / 60 градусов (4,8В без нагрузки), максимально 0,13сек / 60 градусов (6,0В без нагрузки)
- Рабочая температура: 0...55С
- Разъём: JR
- Диапазон вращения: 180 градусов
- Длина кабеля: 300мм
- Вес: 55г
- Размер: 40x19x43 мм

Т.к. в конструкции крыльев предусмотрены специальные петли, которые принимают на себя основную нагрузку крыльев (в виде веса), на сервоприводы в основном оказывается нагрузка в виде механического сопротивления петель и сопротивления воздуха, возникающего при движении крыльев. Сопротивление воздуха в свою очередь будет зависеть от скорости движения крыльев.

Для крепления сервоприводов к основанию и крыльям используются стандартные наклонно-поворотные кронштейны, показанные на рисунке ниже.

Наклонно-поворотные кронштейны

ВНИМАНИЕ! Cервоприводs MG996R имеют крутящий момент 10кг/см, что при совместной работе с наклонно-поворотными кронштейнами делает их травмоопасными! СОБЛЮДАЙТЕ ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ! Выполняйте работы по монтажу и регурировке при отключенном питании!

Описание платы контроллера

Электрическая схема платы контроллера представлена на рисунке ниже.

Электрическая схема платы контроллера на базе WiFi-модуля SC120

Контроллер выполнен в виде кросс-платы, на которой установлены следующие элементы:
- стандартный WiFi-модуль SC120;
- плата повышающего преобразователя напряжения 5В->12В MT3608 (для питания светодиодной ленты);
- плата беспроводного пульта дистанционного управления;
- индикатор работы WiFi-модуля SC120 ("ИНД");
- органы управления ("М" - регулятор периода движения крыльев, перемычки "П1", "П2" - не используются);
- разъемы для подключения сервоприводов ("С1", "С2");
- разъемы для подключения светодиодной ленты ("СД лента");
- разъемы для подключения платы приемника пульта дистанционного управления ("Пульт");
- разъемы для подключения источника питания WiFi-модуля SC120 ("U (1A)");
- разъемы для подключения источника питания сервоприводов и светодиодной ленты ("U (2A)");

Плата контроллера на базе WiFi-модуля SC120

Плата приемника беспроводного пульта дистанционного управления устанавливается на двухсторонний скотч под разъемом "Пульт".

Регулятор периода движения крыльев "М" предназначен для оперативного изменения периода взмахов крыльев. Вращение регулятора по часовой стрелке увеличивает период взмахов крыльев (взмахи производятся реже), при вращении против часовой стрелки уменьшает период взмахов крыльев (взмахи производятся чаще).

Варианты управления контроллером

Для включения/отключения работы контроллера, а также для выбора режима движения крыльев используется четыре способа:
1. беспроводной пульт дистанционного управления;
2. кнопочное управление;
3. по командам со смартфона или планшета, используя приложение "Smacont RC03";
4. голосовые команды со смартфона или планшета.

Кнопки или беспроводной пульт дистанционного управления подключаются к разъему "Пульт". Активное состояние считается при подачи напряжения +5В на разъем "К1" или "К2". Допускается оставлять вход "К1", "К2" в неподключенном состоянии. При необходимости, уровень активного состояния, может быть оперативно изменен при конфигурировании модуля.

Таблица соответствия напряжения на разъемах "К1", "К2" и режимов движения крыльев приведено в таблице ниже. При необходимости, данное соответствие, может быть оперативно изменено при конфигурировании модуля.

"К1"	"К2"	Режим
-	-	отключено
+5В	-	режим 1: полный размах крыльев;
-	+5В	режим 2: "подергивание" крыльев в разложенном состоянии;
+5В	+5В	режим 3: "подергивание" крыльев в сложенном состоянии.

1. Беспроводной пульт дистанционного управления

Для выбора одного из трех режимов движения крыльев, используется двухканальный беспроводной пульт дистанционного управления, в виде платы приемника и двухкнопочного пульта.

Двухканальный беспроводной пульт дистанционного управления

Характеристики пульта дистанционного управления

1. Рабочее напряжение: от 3,7В до 12В
2. Ток в режиме ожидания, не более: 6мА
3. Рабочий ток, не более: 60мА
4. Максимальный ток нагрузки, не более: 1А.
5. Рабочая частота: 433МГц
6. Выход: выход переключателя (NC COM NO)
7. Размер: 2,3х2,0х1,14см
8. Чувствительность приемника, не менее: -105dBm
9. Дальность работы на открытом пространстве: 20м
10. Рабочая температура: -40 °C + 80 °C
11. Модель приемника: 2JDQ
12. Модель передатчика: JS-AB

Назначение контактов беспроводного пульта дистанционного управления

Схема подключения платы приемника беспроводного пульта дистанционного управления к контроллеру

На данном пульте дистанционного управления не допускается одновременное нажатие кнопок «A» и «B».

Двухканальный пульт дистанционного управления допускает включение трех режимов управления:
- режим 1 (кнопка «A»): полный размах крыльев;
- режим 2 (кнопка «В»): "подергивание" крыльев в разложенном состоянии;
- режим 3 (кнопка «A», затем кнопка «В» или в обратном порядке): "подергивание" крыльев в сложенном состоянии.

Если не требуется три режима управления крыльями, то можно использовать одноканальный беспроводной пульт дистанционного управления.

Одноканальный беспроводной пульт дистанционного управления

2. Кнопочное управление

Для выбора одного из трех режимов движения крыльев предусмотрено подключение одной или двух кнопок при помощи проводников.

Схема подключения кнопок к контроллеру

3. Управление по командам со смартфона или планшета, используя приложение "Smacont RC03"

Для управления контроллером по командам со смартфона или планшета в ручном режиме используется приложение "Smacont RC03".

Управление используя приложение "Smacont RC03"

4. Управление голосовыми командами со смартфона или планшета

Для управления контроллером голосовыми командами со смартфона или планшета применяется приложение "Ассистент Дуся".

Видео, демонстрирующее управление контроллером голосовыми командами, представлено ниже.

Особенности организации питания платы контроллера

В качестве источников питания используются портативные аккумуляторы (Powerbank) с выходом 5В, используемые для зарядки смартфонов и планшетов. Применение стандартных внешних аккумуляторов позволило сократить время разработки контроллера и решило проблему разработки схемы и корпуса источника питания.

Обоснование использования двух источников питания платы контроллера

Плата контроллера питается от двух источников питания. Это связано с тем, что при работе от одного источника питания, в момент включения и при нагрузке на серводвигатели происходит "просадка" напряжения, что приводит к перезагрузке WiFi-модуля SC120.

Первый Powerbank, подключается к разъему "U (1A)" и используется для питания WiFi-модуля SC120 и платы приемника пульта дистанционного управления. Второй Powerbank подключается к разъему "U (2A)" и используется для питания сервоприводов и светодиодной ленты.

Выбор типа портативных аккумуляторов (Powerbank)

Для питания WiFi-модуля SC120 и платы приемника пульта дистанционного управления (разъем "U (1A)") допускается использовать внешний аккумулятор со следующими параметрами:
- выходное напряжение: 5В;
- выходной ток, не менее: 1А;
- емкость, не менее: 2500мА*ч.

Для питания сервоприводов и светодиодной ленты (разъем "U (2A)") необходимо использовать внешний аккумулятор со следующими параметрами:
- выходное напряжение: 5В;
- выходной ток, не менее: 2А (2А, 2,1А, 3А);
- емкость, не менее: 10000мА*ч.

В целях унификации и удобства эксплуатации на месте (чтобы не путать их местами) допускается использовать два одинаковых внешних аккумулятора со следующими параметрами:
- выходное напряжение: 5В;
- выходной ток, не менее: 2А (2А, 2,1А, 3А);
- емкость, не менее: 10000мА*ч.

При использовании двух одинаковых внешних аккумулятора (ток не менее 2А, емкость не менее 10000мА*ч) появляется возможность поменять их местами при разрядке одного из них (первым разрядится внешний аккумулятор, который используется для питания сервоприводов и светодиодной ленты), тем самым продлить время работы всего механизма.

Автоматическое отключение внешних аккумуляторов

Большинство внешних аккумуляторов устроено так, что при снятии нагрузки (уменьшение тока потребления нагрузкой), они автоматически прекращают выдачу напряжения +5В (отключаются).

WiFi-модуль SC120 потребляет ток от 60 до 200мА, поэтому внешний аккумулятор, подключенный к разъему "U (1A)", не переходит в режим автоматического отключения.

По команде оператора на отключение движения крыльев, прекращается потребление тока сервоприводами и светодиодной лентой, поэтому внешний аккумулятор, подключенный к разъему "U (2A)", может перейти в режим автоматического отключения. Соответственно, по следующей команде оператора на включение движения крыльев, они не будут двигаться, пока не будет нажата кнопка на самом внешнем аккумуляторе.

Чтобы исключить автоматическое отключение внешнего аккумулятора, подключенного к разъему "U (2A)", необходимо в этот же разъем подключить резистор номиналом 100 Ом или кусок светодиодной ленты из трех светодиодов.

Светодиодная лента из трех светодиодов

Подключение светодиодной ленты более предпочтительно, т.к. в этом случае получаем "индикатор" наличия напряжения от аккумулятора, подключенного к разъему "U (2A)".

Выбор кабеля для подключения внешних аккумуляторов

Для подключения внешних аккумуляторов используется два стандартных USB-кабеля типа USB-microUSB. У каждого кабеля отрезается разъем microUSB и для питания контроллера используются провода красного (+5В) и черного (Gnd) цвета.

USB-кабель для питания контроллера на базе WiFi-модуля SC120

При выборе кабеля необходимо учитывать ток, на который он рассчитан. Для кабеля, который подключается к разъему "U (1A)", минимальный допустимый ток должен быть не менее 1А, для кабеля, который подключается к разъему "U (2A)", минимальный допустимый ток должен быть не менее 2А. Допускается использование двух одинаковых USB-кабеля рассчитанных на минимальный допустимый ток не менее 2А.

Кабель черного цвета, показанный на фотографии выше, рассчитан на ток 1А, а кабель белого цвета рассчитан на ток 2А. Соответственно проводники кабеля черного цвета имеют меньшее сечение, чем проводники кабеля белого цвета.

Реализация светодиодной подсветки

В данном проекте применена светодиодная RGB-лента с рабочим напряжением +12В, так как она является самой распространенным типом ленты, имеющейся в продаже. Возможность применения адресной ленты WS2812, с рабочим напряжением +5В, работу которой поддерживает WiFi-модуль SC120, исключается, поскольку необходимые для работы с лентой порты модуля задействованы для работы с серводвигателями. Поэтому для использования светодиодной RGB-ленты пришлось использовать повышающий преобразователь напряжения 5В->12В MT3608.

Светодиодная лента разделена на два куска по три светодиода на каждом.

Светодиодная лента, три светодиода

Куски светодиодной ленты закреплены на пластиковых уголках, расположенных по краям платы контроллера.

Напротив каждого светодиода, в корпусе контроллера просверлены отверстия для установки в них пучка световодов. При необходимости, диаметр отверстия можно увеличить, для установки пучка световодов большего диаметра.

Корпус контроллера

Светодиодная лента в корпусе контроллера

В случае, если светового потока от двух кусков закрепленной светодиодной RGB-ленты будет недостаточно, предусмотрена отдельная планка из 12-ти светодиодов.

Планка выполнена из П-образного пластикового профиля, где также имеются отверстия для установки в них пучка световодов. При необходимости, диаметр отверстия можно увеличить, для установки пучка световодов большего диаметра.

Светодиодная лента, 12 светодиодов

Для светодиодной подсветки световодов используется управление только двумя цветами RGB-ленты. Это связано с тем, что два выхода из 4-х, имеющих ШИМ, используестя для управления сервоприводами. Пользователь может самостоятельно подключить желаемы цвета RGB-ленты. Третий цвет RGB-ленты, не подключенный к ШИМ-выходам, можно также подключить в режиме постоянного включения (свечения).

Установка световодов

Включите светодиоды и найдите такое положение пучка световодов, при котором наблюдается его максимальная яркость свечение.

Позиционирование пучка световодов

Затем отключите светодиоды и при помощи горячего клея зафиксируйте пучок световодов в месте подвода к светодиоду внутри корпуса контроллера.

Крепление пучка световодов

Повторите эту операцию для всех остальных пучков световодов.

Конфигурирование WiFi-модуля SC120

Файл конфигурации

Скачать файл конфигурации можно по ссылке. При необходимости данный файл конфигурации можно загрузить в WiFi-модуль SC120 при помощи "Программы архивирования и восстановления конфигурации".

Конфигурация Таймеров

В контроллере задействованы три таймера из четырех.

Конфигурация Таймеров

"Таймер0" запускается при подаче питания и используется для задания цикла полного размаха крыльев. Время НЕАКТИВНОГО состояния таймера зависит от положения регулятора периода движения крыльев "М". Диапазон изменения от 1000мс до 5098мс.

"Таймер1" запускается при подаче питания и используется для задания цикла "подергивания" крыльев в сложенном или разложенном состоянии.

"Таймер2" не используется.

"Таймер3" однократно запускается при подаче питания и используется для установки крыльев в сложенное состояние.

Конфигурация Входов

Входы сконфигурированы в соответствии с электрической схемой платы контроллера. Конфигурация Входов показана на рисунке ниже.

Конфигурация Входов

Конфигурация Выходов

Выходы сконфигурированы в соответствии с электрической схемой платы контроллера. Конфигурация Выходов показана на рисунке ниже.

Конфигурация Выходов

Обработчики событий

В контроллере задействованы:
- 11-ть обработчиков событий из 16-ти;
- 25-ть действий из 34-х.

Обработчики событий

Действие "0" и "2" определяют крайние положения сервопривода "С1" при полном размахе крыльев. Действие "0" - определяет положение в разложенном состоянии, действие "2" - в сложенном состоянии. При необходимости, изменяя данные значения можно подстраивать крайние положения. Здесь же определяется скорость движения крыльев. При регулировке, рекомендуется постепенно изменять значения на 1...5 единиц.

Действие "1" и "3" определяют крайние положения сервопривода "С2" при полном размахе крыльев. Действие "1" - определяет положение в разложенном состоянии, действие "3" - в сложенном состоянии. При необходимости, изменяя данные значения можно подстраивать крайние положения. Здесь же определяется скорость движения крыльев. При регулировке, рекомендуется постепенно изменять значения на 1...5 единиц.

Значения в действиях рассчитываются следующим образом:
- в разложенном состоянии: 255-20=235 (значение 20 соответствует положению в разложенном состоянии для "С1");
- в сложенном состоянии: 255-130=125 (значение 125 соответствует положению в сложенном состоянии для "С1").