Koncepti automatizovanog pozicioniranja totalne stanice

1
Koncepti automatizovanog
pozicioniranja totalne stanice
dr Aleksandar Ristić

2
Totalne stanice - uvod
Osnovna kategorizacija tipova instrumenata:
– Instrumenti za merenje relativnih visinskih razlika - NIVELIRI
– Instrumenti za merenje uglova - TEODOLITI
– Instrumenti za merenje dužina - DALJINOMERI
Totalna stanica: kombinacija teodolita i daljinomera
– Uređaj za istovremeno merenje dužina i uglova
– Tačnost merenja uglova: do 0.5 ugaonih sekundi
– Tačnost merenja dužina: 2mm + 2mm/km
– Maksimalni domet: do 5km
Metode snimanja tačaka
– Ortogonalna (dve tačke sa kojih se izvode snimanja ortogonalnih
rastojanja)
– Polarna (dve orijentacione tačke, definišu pravac od kojeg se odmeraju
uglovi i dužine)

3
Totalne stanice - tehnike merenja 1
Dva principa rada TS sa/bez GPS uređaja:
– Ručni režim: 2 operatera
Samo TS:
– Definisanje početnog pravca: na osnovu dve poznate poligonske
tačke koje se dogledaju (prizma +TS)
– Merenje detaljnih tačaka: ugao u odnosu na pravac i dužina do
posmatrane detaljne tačke, (prizma + TS)
– Markiranje: detaljna tačka se markira pomoću reflektujuće prizme
TS i GPS zajedno:
– Definisanje početnog pravca sa dve proizvoljne tačke dobijene
GPS merenjem
– Merenje detaljnih tačaka: kombinovano, na pogodnim lokacijama
GPS merenje, na ostalim klasično (prizma + TS)
– Markiranje: detaljna tačka se markira pomoću reflektujuće prizme

4
Merenje: ručni režim, TS sa/bez GPS

5
Totalne stanice - tehnike merenja 2
Dva principa rada TS sa/bez GPS uređaja:
– Automatski režim: 1 operater, robotizovana TS, sinhronizivan
rad obe rotacione ose, sistem za praćenje prizme ATR (Automatic
Target Recognition), komunikacija TS sa prizmom
Samo TS:
– Definisanje početnog pravca: na osnovu dve poznate poligonske
tačke koje se dogledaju (prizma +TS)
– Merenje detaljnih tačaka: ugao u odnosu na pravac i dužina do
posmatrane detaljne tačke, operater sa prizmom
– Markiranje: detaljna tačka se markira pomoću reflektujuće prizme
TS i GPS zajedno:
– Definisanje početnog pravca sa dve proizvoljne tačke dobijene
GPS merenjem
– Merenje detaljnih tačaka: kombinovano, na pogodnim lokacijama
GPS merenje, na ostalim klasično TS
– Markiranje: detaljna tačka se markira pomoću reflektujuće prizme

6
Merenje: automatski režim, TS sa/bez GPS

7
Totalna stanica - ose, upravljane ose
TS treba da zadovolji sledeće kriterijume
- Vizura (Line of sight) ZZ je normalna na osu
durbina (Tilting axis) KK
- Vertikalna osa (Vertical axis) VV je normalna na
osu durbina KK
- Vertikalna osa se poklapa sa pravcem sile teže
-Očitavanje na limbu KK ose je 0 u zenitu
2 upravljane ose - upravljanje sinhronizovanim
kretanjem dve rotacione ose
• Vertikalna osa - merenje horizontalnih H uglova
• Osa durbina - merenje vertikalnih V uglova

8
Totalna stanica - sistematske greške 1
e1 – Greška vertikalnog indeksa (Vertical
index error) - odstupanje vizure ZZ od
horizonta pri čitanju zenitnog ugla od 90
stepeni, merenjem istog ugla 2 puta rotacijom
KK i VV ose za 180 stepeni + aritmetička
sredina (svaki put, jednom)
e2 - Greška vizure (Line of sight error - Collimation
error) - odstupanje upravnosti između ose durbina
KK i vizure ZZ, greška merenja H uglova,
merenjem iste tačke 2 puta rotacijom KK i VV ose
za 180 stepeni + aritmetička sredina (svaki
put/jednom)

9
Totalna stanica - sistematske greške 2
e3 - Greška ose durbina (Tilting axis error) -
odstupanje upravnosti između vertikalne ose
VV i ose durbina KK, greška merenja H ugla,
merenjem iste tačke 2 puta rotacijom KK i VV
ose za 180 stepeni + aritmetička sredina
(svaki put/jednom)
e4 - Vertikalna greška (Vertical - standing axis
error) - odstupanje između vertikalne ose VV i
pravca sile teže (pogled sa boka): greška se
otklanja inklinacijskim senzorom za longitudinalni
(kor. V ugla) i transverzalni nagib (kor. H ugla =
kor.V + transverzalni nagib)

10
Totalne stanice - osnovna klasifikacija
Osnovna kategorizacija TS:
– Klasična TS
– Motorizovana TS sa klasičnim, reflektujućim distancerom
– Klasična TS sa nereflektujućim distancerom
– Motorizovana TS sa nereflektujućim distancerom
– Motorizovana TS sa nereflektujućim distancerom i sistemom
automatskog praćenja
– TS kombinovana sa GPS uređajem

11
Totalne stanice - kretanje po osama
Rotacija, 1 osa - kružnica LI
Rotacija, 2 ose - sfera SLI

12
y2
y1
Totalne stanice - tip upravljanja 1
Y
P1
P2a P3
P2b
x1 x2
X
Svaka osa ima zaseban sistem
kontrole kretanja (motion
controller), interpolacija (CPU)
služi za sinhronizovano kretanje
po osama
Koordinatno (poziciono) upravljanje DA
- Ne postoji funkcionalna zavisnost kretanja
VV i KK ose, bez interpolacije
- Proces pozicioniranja:
a) simultano kretanje po obe ose maksim.
brzinom, merenje dostignute pozicije,
b) dopuna po osi sa dužom putanjom
- Samo pozicioniranje: sličnost sa mašinama
koje pri pozicioniranju nisu u radnom
zahvatu sa materijalom (koordinatna
bušilica, laserski pokazivač, alati za
probijanje i prosecanje, presovanje...)

13
y2
y1
Totalne stanice - tip upravljanja 2
Y
x1
P1
F(x,y,z
P2
x2
X
Konturno upravljanje NE
• Potrebna interpolacija (kretanje po sferi),
potrebna SLI, komplikovan algoritam
• Interpolator u realnom vremenu dostavlja
podatke o narednoj međupoziciji i brzini za
svaku od osa
•Ako je putanja preddefinisana, ne zahteva
rad u realnom vremenu

14
Struktura upravljanja
Struktura upravljanja se može podeliti na:
– upravljanje u otvorenoj petlji (bez povratne informacije)
Zadato
upravljanje
– step motori
Poremećaji
Zadato
Stvarno
upavlja
upravljanje nje
Objekat
Izlazna veličina
Regulator
upravljanja
– upravljanje u zatvorenoj petlji (postoji povratna sprega)
– DC brush i brushless servomotori: SERVOREGULACIJA
+
Signal
greške
Regulator
Stvarno
upavlja
nje
(proces)
Objekat
upravljanja
(proces)
Merena veličina
Poremećaji
Izlazna veličina

15
Nezavisne upravljačke petlje
Moguća je situacija da se unutar neke upravljačke petlje nalazi
druga (npr. unutar sporog procesa se nalazi proces sa bržom
dinamikom, i on predstavlja objekat upravljanja sporog procesa)
Zadato
upravljanje za
mašinu
+
Regulator
mašine
Zadato
upravljanje za
motor
+
Frekv.reg
motora
Poremećaji
Motor
Poremećaji

16
Regulacija pozicije i brzine:
otvorena sprega, step motori 1
Step (koračni) motori: je višefazni sinhroni AC motor, ima nazubljene statorske
magnete koje aktivira drajver prema određenom redosledu, a oni privlače najbliži zubac
rotora. Više faza, rad u mikrostep režimu i brz prelazak preko područja povećane
osetljivosti obezbeđuje stabilan i kontinualan rad.
Ako rotor ima 25 zuba, a stator 4 magneta, znači da za 1 pun ciklus aktivacije magneta
se zubac rotora pomeri za 360/25=14.4°, odnosno za ceo korak (1 segment 3.6°).
Standardno - step motori sa uglom od 0.72° - 4 faze (0.36° - pola koraka 5 faza).
Uređaji konstantne snage: snaga = brzina x moment. Povećanjem brzine moment se
smanjuje. Limitiranjem struje i povećanjem napona može se popraviti ova mana (heavy
load torque).
Karakteristike step motora obezbeđuju upravljanje u otvorenoj sprezi

17
Regulacija pozicije i brzine:
otvorena sprega, step motori 2
Ne mogu se koristiti za sisteme sa promenljivim opterećenjem da ne bi došlo do efekta
gubitka koraka (jer nema senzora u povratnoj sprezi)
Eliminacija problema gubitka koraka se rešava uvođenjem zatvorene sprege
Tipovi step motora: dvofazni, 4-fazni, 5-fazni
Dvofazni: unipolarni (2 namotaja po fazi, za svaki smer struje), bipolarni (1 namotaj po
fazi, ima uređaj za reverziranje struje - H bridge, jači su), kombinacija
Podela step motora: obrtni moment, korak, tip kola
Step motor se idealno pokreće sa strujom sinusnog oblika. Upravljanje sa punim
korakom je gruba aproksimacija sinusne funkcije pa otuda vibracije (pravougaoni
naponski impuls, pozicija=broj impulsa, brzina proporcionalna frekvenciji impulsa)
– Full step drive (obe faze aktivne, max. obrtni moment, vibracije), (wave mod)
– Half stepping (naizmenično uključene ili obe faze ili jedna faza, ne treba
elektronika, postiže se bolja rezolucija, gubi se na momentu, kompenzacija)
– Microstepping (aproksimacija sinusa kontrolerom, jedan korak se raščlanjuje na
puno malih, izuzetno tačno pozicioniranje, za motor od 200 koraka po krugu (1.8°),
svaki korak može da se podeli na 256 delova, ugaoni pomeraj je 0.00703125°, tj.
Ima 51200 pozicija po krugu, teoretski, ima gubitaka koraka)

18
Regulacija pozicije i brzine:
otvorena sprega, step motori 3
Step motori su paralelno povezani, zadaju se dva signala, za pomeraj i smer obrtanja
Minimalno vreme između 2 signala (1µs), ali i razmak između 2 impulsa, jer od toga
zavisi brzina motora, za motor sa 200koraka/krugu, ako je 1krug=pomeraj od 1mm i 16
mikro step mod, sledi da je za 1mm potrebno 200 x 16 = 3200 impulsa. Ako je zadata
brzina od 100mm/s tada treba 320000impulsa (3.125µs)
Neophodno je postepeno ubrzavanje-usporenje motora jer će imati propuštene korake
(jitter)

19
Regulacija pozicije i brzine:
otvorena sprega, step motori 4
Proračun kretanja:
– p (∆p): pozicija [mm]
– s (∆s): brzina [mm/s]
– a (∆a): ubrzanje [mm/s 2 ]
– t (∆t): vreme [s]
Kretanje po osama
– Maksimalna brzina (npr. 50mm/s) i ubrzanje (25mm/s 2 ), maksimalna brzina se
dostiže za 2.5 sekunde, pređeni put je 2x62.5=125mm
– Kratko rastojanje: trougaoni profil, npr 50mm, dostignuta brzina je 20mm/s
– Duže rastojanje: pun trapezni profil, dostignuta je maksimalna brzina

20
Regulacija pozicije i brzine:
zatvorena sprega, brushless servo motori
Permanentni magneti u rotoru, romboidni namotaj u statoru koji povećava značajno
obrtni moment, višestepeni planetni reduktor (i do 1:2548 prenosni odnos), DC motor
Glavna karakteristika: proces komutacije se vrši elektronski, efikasniji, mala EMI, duže
traje, nema trošenja četkica, nema problema sa hlađenjem, AC sa permanentnim mag.
Dva senzora bazirana na Halovom efektu, služe da kontrolišu položaj rotora i daju
upravljački signal za elektronsku komutaciju, može i bez senzora merenjem EMS u
namotaju statora (nema EMS u stacionarnom stanju!!!)
Upravljanje impulsno PWM (Pulse Width Modulation), promenom jačine struje

21
Regulacija pozicije i brzine:
brushless servo motori, PWM
Koristi se pravougaoni signal, promenom vremena trajanja signala (signal width) i
frekvencije impulsa (impulse number) postiže se zaobljeniji izgled finalne krive
Upravljanje impulsno PWM (Pulse Width Modulation), promenom jačine struje
Poređenjem signala “testere” (modulacijski signal) sa sinusnom funkcijom (referentni
signal) dobija se PWM signal, 1 se dobija kada je referentni signal veći od
modulacijskog i obrnuto

22
Servo regulacija pozicije i brzine 1

23
Totalne stanice - motion control 1 ose
Generator
trajektorije
Filter stvarne
pozicije
Veza ka
procesu
PID
MC
DAC
DC Motor
Enkoder
Pojačavač
M

24
Analogni PID regulatori – rezime
Kombinovanjem sva tri osnovna zakona upravljanja dobija se
idealni PID regulator čije se ponašanje može opisati sledećom
jednačinom:
t
t
de ⎡ 1
= KP
e(t) + KI
∫ e(t)dt + KD
= KP
⎢e(t)
+ ∫ e(t)dt + T
0 dt ⎣ TI
0
u(t) D
K P konstanta proporcionalnog dejstva
K I konstanta integralnog dejstva
K D konstanta diferencijalnog dejstva
T I vremenska konstanta integralnog dejstva
T D vremenska konstanta diferencijalnog dejstva
de⎤
dt
⎥
⎦

25
Servo regulacija pozicije i brzine 2
Tri regulacione petlje: strujna, brzinska i poziciona
Spoljašnja petlja: Regulacija pozicije, (PID), merenje pozicije enkoderom
Središnja petlja: Regulacija brzine, PI regulacija, V-Kvf vrednost upravljanja u
ustaljenom stanju (bez poremećaja), ako je greška nula da strujni regulator
nema ulaz 0, ograničava se vrednost struje, merenje brzine enkoderom ili
tahogenerat., prelazni režim struje je završen pre procesa regulacije brzine
Unutrašnja petlja: Strujni regulator, PI regulacija, dinamika strujnih procesa je
mnogo brža nego kod mehaničkih, finija regulacija, povratna sprega
merenjem struje, pretvara se naponsko upravljanje u strujno

27
Servo Regulacija pozicije i brzine 3
“Position Command” - zadata trajektorija kretanja po svakoj osi, sa
merenjem stvarne pozicije (direktno ili indirektno) formira grešku
koja je ulaz u regulator pozicije
Ograničenje struje na integralnom dejstvu: prilikom integraljenja
greške, pri neograničenom procesu, generiše se upravljanje koje
je nemoguće da se ostvari (prevelika vrednost struje), efekat koji
se zove windup
Sekundarni enkoder ima ulogu integrišućeg dejstva, postavlja se
direktno na vratilo motora
Primarni enkoder (u procesu) meri poziciju za zatvaranje sprege u
pozicionoj petlji kao i brzinu (derivativno dejstvo) za zatvaranje
sprege u brzinskoj petlji
Izlaz iz pozicione petlje je ulaz u brzinsku petlju

28
Direktno i indirektno merenje pozicije
И.О. Радни сто С.
И.О.
Кодирана летва Дигитални давач
З.В.
С.
Радни сто
З.В.
Кодирани диск

29
Motion control - modovi kretanja 1
1. Pozicioniranje od tačke do tačke: standardni trapezni profil, važi za veće pomeraje;
trougaoni za male pomeraje, maksimalna brzina se koristi
Apsolutno kretanje, pozicioniranje se izvodi od poznate nulte tačke (zero point)
Relativno kretanje, pozicioniranje se izvodi od prethodnog položaja
2. Pozicioniranje po segmentima
3. Ciklično pozicioniranje

30
Motion control - modovi kretanja 2
1. Pozicioniranje od tačke do tačke
2. Pozicioniranje po segmentima: složena kretanja, zadaje se brzina na kraju segmenta i
pozicija definisana od prethodnog intervala, do 32 segmenta u profilu
3. Ciklično pozicioniranje

31
Motion control - modovi kretanja 3
1. Pozicioniranje od tačke do tačke
2. Pozicioniranje po segmentima
3. Ciklično pozicioniranje: pozicioniranje se vrši prema zadatom parametru, nakon
zadavanja signala za ciklus, kretanje se nastavlja prema parametru za ciklično ponavljanje,
važi i za inkrementalni i za apsolutni mod rada

32
Motion control - karakteristike profila
Ubrzavanje po S krivoj: smanjuje se habanje i oštećenje mehanike, nema naglih
promena
Razlike: prava - konstantno ubrzanje sa dva skoka, S - motor prvo ubrzava sporije, u
središnjem delu 2x brže (2x veći i potreban obrtni momenat), a pri kraju sporo završava
ubrzanje pri dostizanju radne brzine

0
c
0
v
v
34
Totalne stanice - pogon osa, rezime
Tr Tr
Tc
Tc
v
a) b)
d)
t
t
0
0
Poff
v
Pz
Pz
"Traženje"
t
c)
t
Tipovi motora
• DC servo motori, upravljani strujom pobude ili
rotora, linearna zavisnost promene upravljačkog
napona i brzine
• Brushless DC motori, specijalni (romboidni) tip
namotaja, male dimenzije veliki električni moment
i smanjeno dejstvo inercije, integrisan višestepeni
planetni reduktor (i do 1:2548), PWM upravljanje
• Step motori, 1 upravljački impuls odgovara
pomeraju za 1 korak, pun krug podeljen na
korake
Karakteristični režimi rada
- a: Idealni trapezni profil brzine
- b: Problem usporenja - ubrzanja
- c: Pojave - overshoot, hunting
- d: Optimalni, S profil brzine motora

35
Klasifikacija digitalnih senzora pomeraja
APSOLUTNI (kodirani) ENKODERI: merenje ugla od 0 do 360° ili
do punih 1000 obrtaja. Vrsta AD konvertora. Na cilindričnoj ploči se
sistemom fotoćelije prijemnik – predajnik očitavaju kodovi za binarni
zapis. Spoljašnji prsten ima kod 2 0 , sledeći 2 1 itd ... U zavisnosti od
osvetljenosti polja dobija se kod koji predstavlja ugaoni pomeraj.
Koristi se Grejev kod da bi se sprečile greške pri očitavanju.
RELATIVNI (inkrementalni) ENKODERI: kontinuirano merenje
ugla (relativne pozicije)
LINEARNI (direktni – merna letva) I OBRTNI (indirektni) enkoderi
Zaštita od dejstva sile radijalno na vratilo enkodera, IP zaštita,
otpornost na vibracije

36
Tipovi signala i rezolucija enkodera
Enkoderi imaju 3 tipa signala:
a) pozicija (broj impulsa)
b) drugi signal za reverzibilno obrtanje (linearno pomeranje)
c) treći signal markera punog kruga
Spregnuti sa brojačima impulsa i tajmerima pa mere poziciju, brzinu i
smer obrtanja.
Rezolucija enkodera:
- Inkrementalni: broj markera po krugu,10 do 3600 impulsa
- Apsolutni: broj pozicija po jednom punom obrtaju, 6 do 1024
impulsa po obrtaju

37
APSOLUTNI ENKODERI - obrtni

38
Inkrementalni enkoderi - obrtni
PRINCIP RADA inkrementalnog enkodera:
Disk enkodera je podeljen po obimu na prozirna i neprozirna polja.
Pri rotiranju diska prozirna i neprozirna polja presecaju snop svetlosti
tako da se generiše izlazni signal u vidu četvrtki.
Ugaoni zakretaj ose je direktno proporcionalan broju ostvarenih
impulsa, a ugaona brzina frekvenciji. Ostvarene impulse detektuje
brojač.
Fizički, sa obe strane diska postavljena su dva para fotoćelija fazno
pomerena 90º za detekciju smera obrtanja.

39
Inkrementalni enkoderi - primene
Smer levo
Smer desno
Fotoćelija A receiver
Fotoćelija B receiver
Fotoćelija A receiver
Fotoćelija B receiver
A tr
B tr
A re
B re

40
Modeli enkodera i način montaže

41
Merenje brzine 1
METODE:
a) enkoderima (ne opterećuju vratilo)
b) tahogeneratorima
c) stariji tipovi analognih senzora pozicije
Tahogeneratori: jednosmerni i naizmenični
Jednosmerni: izlazni generisani napon tahoa je linearno srazmeran
ugaonoj brzini. Stator je stalni magnet, a rotor sa kolektorom se obrće.
Nedostatak habanje četkica, preko kojih se odvodi generisani (izlazni)
napon. Meri od 0 do 5000 obrtaja u minuti. Tačnost ±1%.
Asinhroni naizmenični: ima rotor i dva statorska namotaja (jedan je
pobudni)
Detekcijom promene faze može da se meri i smer obrtanja od 0 do
4000 obrtaja u minuti naizmenični
Tačnost ±0.05%.
Ne opterećuju vratilo.

42
Merenje brzine 2
Tahogeneratori: jednosmerni i naizmenični

43
Totalne stanice - princip merenja uglova
Staklena ploča - limb
• Princip apsolutnog enkodera, jedna traka,
očitava se CCD (Charged Coupled Device)
nizom (128 elemenata u jedinstvenom nizu
osetljivih na količinu iluminacije svetlosti), 8-bitni
konvertor, tačnost merenja 0.3grada (0.27°)
• Minimum 10 kodnih linija se očitava pa se
određuje srednja vrednost. Jedno merenje
podrazumeva 60 kodnih linija
• Merenje H ugla zavisi od korekcija merenja V
ugla, trenutne greške vizure e2 i ose durbina e3,
odnosno komponente vertikalne greške e4,
normalne na vizuru
•Merenje V ugla zavisi od vertikalne greške
indeksa e1 i od komponente vertikalne greške
e4, paralelene sa vizurom

44
Totalne stanice - princip eliminacije e4
Automatska eliminacija e4
• Mreža oblika 3x trostruka linija 1 se
osvetljava diodom 7 i pomoću sočiva
4 se usmerava na prizmu 3 gde se 2x
reflektuje o površinu ulja. Na CCD
nizu 5 se dobija reflektovana slika 6.
• Komponenta vertikalne greške e4,
paralelene sa vizurom se određuje
promenom razmaka između različito
orijentisanih linija
• Komponenta vertikalne greške e4,
normalne na vizuru se određuje
pomeranjem celokupne mreže duž
CCD niza

45
Totalne stanice - merenje rastojanja r-wr
• IR laser se koristi za merenje
rastojanja na principu merenja
vremena dvostrukog puta, talasna
dužina 780nm, do 3km, tačnost
merenja 2mm+2ppm
• Laser crvene boje u vidljivom
spektru (Red Laser), talasne
dužine 670nm, na rastojanju do
80m, meri sa tačnošću od
3mm+2ppm, veličina traga je
1x2cm na rastojanju od 50m.
Malim tragom lasera se odmeraju
sitni detalji, ne dobija se srednje
rastojanje od više “zahvaćenih
objekata”

46
Totalne stanice - autokolimacija, reflektori

47
Totalne stanice - ATR mod - princip
• Navigacija: nakon grubog navođenja na
PASIVNU prizmu spiralnim kretanjem po obe ose
(procedura pretrage, preddefinisana putanja),
brzina pretrage je preddefinisana. Kada je nagrubo
detektovana prizma kretanje prestaje. U sledećem
koraku se finim navođenjem dobija centar i-ili
rekalkulišu se svi parametri za merenje H i V ugla.
Sledi merenje, a tada se meri i rastojanje.
• Ukoliko dođe do prekida kontakta sa prizmom
tokom procedure praćenja, proračunava se pozicija
koja bi nastala kretanjem prizme po obe upravljane
ose istom, kontinualnom brzinom. Filteriše se
vertikalna komponenta ljudskog hoda pri kretanju
prizme.
• Automatika na servo motorima koriguje devijacije
pri merenju uglova kao i devijacije zadate i
aktuelne pozicije

48
Totalne stanice - ATR,
Loock mode
Efekti ATR (3mm/300m)
• Ubrzan proces iznalaženja prizme
• Robotizovana TS, jednom detektovana tačka se
konstantno prati, daljinsko upravljanje RCS
(Remote Control Surveying), čime se mogu da
definišu i odstupanja reflektora od stvarne pozicije
• ATR mod sa aktivnom prizmom za određene
situacije i oštre uglove ne može da radi