Podręcznik

2.2. Aplikacja aktorów hydraulicznych w pojeździe mobilnym bezzałogowym

PRZYKŁAD 2: Aktory hydrauliczne do sterowania urządzeniem podnosząco-ładującym
1.    Koncepcja kinematyczna urządzenia
Rozważany jest układ dwóch aktorów hydraulicznych, który będzie wykorzystany w sterowaniu urządzeniem podnosząco-ładującym, będącym na wyposażeniu pojazdu bezzałogowego przeznaczonego do transportu środków bojowych po terenie pola walki. Najważniejsze elementy urządzenia stanowiące o jego funkcjonalności zilustrowano na rysunku 94.

Rysunek 94: Konstrukcja kinematyczna urządzenia podnosząco-ładującego pojazdu bezzałogowego 

Widoczne na rysunku 94 dwa siłowniki A i B służą odpowiednio do unoszenia elementu podnoszącego i zmiany kąta elementu uchylnego. Jak widać na powyższym rysunku element podnoszący przemieszczany jest pionowo w prowadnicach, przy czym przyjęto, że ruch tegoż w górę będzie następował z wykorzystaniem bloczka obrotowego oraz cięgła podnoszącego o odpowiedniej długości, ciągnionego przez tłoczysko siłownika A. Ruch w dół elementu podnoszącego odbywać się będzie z wykorzystaniem siły ciężkości, którą „produkuje” ciężar jego konstrukcji metalowej (plus ewentualnie ciężar ładunku). Takie założenie jego ruchu powoduje, że element większego aktora hydraulicznego jest siłownikiem hydraulicznym jednostronnego działania – ciągnącym.
Z rysunku 94 widać również, że urządzenie podnosząco-ładujące zawiera element uchylny, którego zadaniem jest wytworzenie kąta między podłożem a elementem podnoszącym dla dodatkowego zabezpieczenia przewożonego ładunku przed wypadnięciem oraz dla lepszego pozycjonowania urządzenia przy załadunku. Element uchylny napędzany jest siłownikiem hydraulicznym B, który dla zapewnienia precyzji w pozycjonowaniu jest dwustronnego działania. Jak widać z rysunku 94 urządzenie podnosząco-ładujące posadowione jest na platformie pojazdu bezzałogowego, w którym sterowanie urządzeniem odbywać się będzie drogą radiową.  
2.    Oczujnikowanie i układ zdalnego sterowania urządzeniem
Jest rzeczą zrozumiałą, że rozważanie zabudowy urządzenia podnosząco-ładującego na platformie pojazdu bezzałogowego wymaga nie tylko sterowania aktorami hydraulicznymi za pomocą sygnałów elektrycznych (najlepiej), ale i odpowiedniego oczujnikowania ruchów samego urządzenia, bowiem po pierwsze operator pojazdu może nie zawsze móc obserwować w sposób wystarczający położenie elementów ruchomych urządzenia po to, aby je zatrzymać, oraz po drugie (jak już wcześniej powiedziano) aktory hydrauliczne wytwarzają znaczne siły (tutaj pchające lub ciągnące), które mogą narazić na szwank konstrukcję urządzenia, gdyby nie zostały w porę wyłączone przez układ sterowania. Zatem układ (schemat) urządzenia podnosząco-ładującego z rysunku 94 powinien zostać wyposażony o dodatkowe czujniki, które dając sygnały układowi sterowania zapewnią odpowiednią kontrolę elementów ruchomych urządzenia. Zmodyfikowany układ (schemat) urządzenia uzupełniony o układ sterowania oraz jego elementy zilustrowano na rysunku 95. 

Rysunek 95: Urządzenie podnosząco-ładujące uzupełnione o oczujnikowanie siłowników hydraulicznych i układ sterowania

3.    Opis oczujnikowania oraz sygnałów wejścia/wyjścia urządzenia 
Funkcje urządzenia podnosząco-ładującego wywoływane są zdalnie za pomocą pulpitu operatora (część tegoż dotyczącą sterowania tym urządzeniem pokazano na rysunku 96), który komunikuje się z widocznym na rysunku 95 układem sterowania za pomocą modułów radiowych, w które wyposażono zarówno pojazd bezzałogowy jak i pulpit sterujący. Operator pojazdu posiada zatem do dyspozycji następujące rodzaje przycisków sterujących: D i G – wywołanie ruchu elementu podnoszącego odpowiednio w górę oraz w dół oraz P i T – wywołanie uchylenia elementu uchylnego odpowiednio do przodu oraz do tyłu. Ponieważ przyjęto, że może zaistnieć sytuacja, w której operator pojazdu nie będzie widział czynności wykonywanych przez urządzenie podnosząco-ładujące (np. po wjeździe pojazdu bezzałogowego do tunelu), przewidziano odpowiednie oczujnikowanie.  

Rysunek 96: Pulpit sterujący pojazdem bezzałogowym z elementami sterowania urządzeniem

 Pierwszym typem czujników są czujniki dwustanowe skrajnych położeń tłoczysk dwóch siłowników hydraulicznych: dla siłownika A czujniki AD i AG odpowiednio dolnego i górnego położenia tłoczyska, zaś dla siłownika B czujniki BT i BP odpowiednio lewego i prawego położenia tłoczyska. Drugim typem czujników są czujniki optyczne FT1 i FT2 odpowiednio dla siłownika A i siłownika B, których działanie polega na liczeniu impulsów, które pochodzą od obracającej się tarczy z otworami lub przesuwającej się listwy z otworami. Nie trzeba dodawać, że sygnały ze wszystkich wymienionych czujników oraz sygnały powiązane z przyciskami pulpitu sterującego G, D P i T doprowadzone są do sterownika cyfrowego, który odpowiada za odbieranie zdalnych komend operatora pojazdu z pulpitu sterującego oraz analizowanie sygnałów, które podłączone są do jego modułu wejść. 
Jak widać z rysunku 96 pulpit sterujący zawiera dwa wyświetlacze, które sterowane są z odpowiednich modułów sterownika cyfrowego, które zamieniają tzw. kod BCD (ang. Binary Code Decimal) na siedmiosegmentowy dla tych wyświetlaczy. Pierwszy z nich – dwusekcyjny przeznaczony jest do pokazywania operatorowi liczb z zakresu 0 do 20, gdzie liczba „0” oznacza najniższą pozycję elementu podnoszącego, zaś cyfra „20” najwyższą. Uznano, że taka rozdzielczość powinna być wystarczająca dla operatora pojazdu bezzałogowego, który sterował będzie urządzeniem podnosząco-ładującym. Drugi z nich – jednosekcyjny przeznaczony jest do pokazywania operatorowi liczb z zakresu 0 do 9, gdzie liczba „0” oznacza lewe skrajne położenia elementu uchylnego, zaś cyfra „9” jego prawe skrajne położenie. I tutaj również uznano, że taka rozdzielczość powinna być wystarczająca dla operatora pojazdu bezzałogowego, który sterował będzie urządzeniem podnosząco-ładującym. Powinno być zrozumiałe dla Czytelnika, że zaproponowane oczujnikowanie powinno dopomóc operatorowi pojazdu bezzałogowego w posługiwaniu się urządzeniem wtedy, kiedy praca pojazdu będzie poza zasięgiem wzroku.
Użycie siłowników hydraulicznych do przemieszczania elementów ruchomych w ramach urządzenia podnosząco-ładującego wymagało zrealizowania tak naprawdę aktorów hydraulicznych, które sterowane będą drogą elektryczną za pośrednictwem sterownika cyfrowego. Zatem proponowane aktory hydrauliczne złożone są w pierwszym przypadku z siłownika hydraulicznego A jednostronnego działania (ciągnący) oraz elektrozaworu rozdzielającego EZ1, zaś w drugim przypadku z siłownika hydraulicznego dwustronnego działania B oraz złożonego elektrozaworu rozdzielającego EZ2-EZ3. Zaproponowany układ hydrauliczny jest typu otwartego, zatem musiał się również pojawić zespół przygotowania cieczy roboczej, napędzany silnikiem elektrycznym M. Układ hydrauliczny proponowany do sterowania urządzeniem zilustrowano na rysunku 97.              

Rysunek 97: Układ hydrauliczny do sterowania aktorami hydraulicznymi urządzenia

4.    Opis działania urządzenia 
Pobudzenie przez operatora pojazdu odpowiednich przycisków sterujących G, D, P lub T (na pulpicie sterującym) wywołuje reakcję układu sterowania w postaci analizy sygnałów z czujników kontroli położenia tłoczysk siłowników hydraulicznych A i B, tj. odpowiednio AD i AG oraz BT i BP. Przyjęto, że układ zawsze dąży do zajęcia przez tłoczysko siłownika A górnego położenia (AG=1) na skutek siły ciężkości, pochodzącej od ciężaru elementu podnoszącego oraz zajęcia przez tłoczysko siłownika B tylnego położenia (BT=1) na skutek pochodnej siły ciężkości elementu uchylnego. W takim przypadku dwa wyświetlacze LED, które są umieszczone na pulpicie sterującym wskazują wartości zerowe. Powyższe oznacza, że tak naprawdę operator pojazdu powinien pobudzić albo przycisk G albo P, gdyż tylko na takie reakcje operatora układ sterowania zareaguje. Powyższe oznacza również, że czujniki AG i BT mogą „dać” w zależności od potrzeb sygnały automatycznie wyłączające z pracy aktory hydrauliczne (oczywiście za pośrednictwem sterownika cyfrowego), ponieważ ich zakres suwów tłoczysk się wyczerpał. 
Po prawidłowym wybraniu przycisku G albo/i P uruchamiane są wybiórczo lub jednocześnie elektrozawory hydrauliczne odpowiednio EZ1 lub/i EZ2-EZ3 (patrz rysunek 97). To wywołuje ruch tłoczysk siłowników hydraulicznych wraz z ruchem elementu podnoszącego w górę lub/i elementu uchylnego do przodu. 
Należy zaznaczyć, że ruch elementów roboczych urządzenia podnosząco-ładującego wywołuje proporcjonalny ruch elementów związanych z czujnikami FT1 i FT2, tj. odpowiednio tarczy z otworami oraz listwy z otworami. (Patrz rysunek 95). Otwory te odsłaniają oraz zasłaniają naprzemiennie promienie padające na te czujniki, co inkrementuje jednocześnie liczniki programowe zaimplementowane w pamięci programu sterownika cyfrowego, ponieważ sygnały z tych czujników wprowadzone są do odpowiednich dwóch wejść binarnych modułu wejściowego sterownika cyfrowego. Oznacza to, że liczba zliczonych przez te czujniki impulsów odzwierciedla ruch elementu podnoszącego oraz elementu uchylnego. (Po programowym przetworzeniu tych liczb na kod siedmiosegmentowy jest on wysyłany drogą radiową do pulpitu sterującego celem wyświetlenia odpowiednich wartości na dwóch wyświetlaczach LED). Zatem operator urządzenia posiada możliwość śledzenia ruchu tych dwóch elementów poprzez obserwację liczb na wyświetlaczach LED i oczywiście porównania ich z ustalonymi doświadczalnie wartościami, które odnoszą się do zajmowanych pozycji przez tychże. Jest rzeczą zrozumiałą, że przy wizualnej obserwacji pracy urządzenia korzystanie z wyświetlaczy LED nie jest niezbędne. Jak już wspomniano taka opcja została przewidziana dla innego przypadku pracy urządzenia. Jak pokazuje rysunek 95 przewidziano również optyczną kontrolę pracy urządzenia bezpośrednio na pokładzie pojazdu za pomocą dwóch sygnalizatorów: Ż1 – praca elementu podnoszącego oraz Ż2 – praca elementu uchylnego.
Przewidziano dwa rodzaje sterowania dla dwóch głównych przycisków na pulpicie sterującym od momentu ich pobudzenia, tj. przycisków G (ruch elementu podnoszącego w górę) i P (ruch elementu uchylnego do przodu). Pierwsze sterowanie polega na tym, że nieustanne pobudzanie (wciśnięcie) tych przycisków (oczywiście wybiórczo lub łącznie) powoduje, że ruch ww. elementów roboczych jest nieustanny od momentu startu tychże i kontrolowany jest przez operatora, zaś przy zwolnieniu tych przycisków działanie tłoczysk siłowników zostaje natychmiast przerwane, a elementy robocze samoczynnie wracają do pozycji początkowych. W przypadku, gdy tłoczyska siłowników zajmą swoje skrajne położenia a operator się „zagapi” i będzie utrzymywał sterowanie tychże, układ sterowania na podstawie czujników AD i BP wyłączy to sterowanie i zapoczątkuje powrót tłoczysk do pozycji początkowych. Widać z powyższego, że czujniki te pełnią rolę wyłączników bezpieczeństwa. 
Drugie zaproponowane sterowanie urządzeniem podnosząco-ładującym polega na dwusekundowym pobudzeniu i późniejszym zwolnieniu przycisków G lub/i P, co skutkuje samoczynnym (z podtrzymaniem) ruchem tłoczysk siłowników od momentu ich startu do ich skrajnych przeciwnych położeń, co stwierdzają czujniki odpowiednio AD i BP, zaś potem następnie automatyczne wyłączenie ich sterowania i powrót elementów roboczych do ich pozycji początkowych, przypomnijmy tłoczyska siłownika A na skutek oddziaływania siły ciężkości pochodzącej od ciężaru elementu podnoszącego, zaś tłoczyska siłownika B na skutek działania elektrozaworu EZ2-EZ3 (i również pochodnej siły ciężkości od ciężaru elementu uchylnego). Zatrzymanie w dowolnym momencie urządzenia w tym drugim trybie polega na chwilowym pobudzeniu przycisków dla przeciwnego ruchu (odpowiednio D i L), co rozpoczyna zatrzymanie ruchu tłoczysk siłowników hydraulicznych odpowiednio do góry oraz do przodu i powrót elementów roboczych do pozycji początkowych.  
5.    Algorytm w postaci blokowej dla sterowania urządzeniem z rysunku 95

Rysunek 98: Algorytm w postaci blokowej dla sterowania pracą urządzenia

6.    Podsumowanie
Zilustrowany na rysunku 98 algorytm może stanowić jeden z podprogramów programu głównego dla sterowania pojazdem bezzałogowym np. z wykorzystaniem pulpitu sterującego z rysunku 96. Autor ma nadzieję, że jest rzeczą zrozumiałą dla Czytelnika, że taki rodzaj zaproponowanego urządzenia podnosząco-ładującego jest tylko koncepcją, która na użytek niniejszej publikacji i jego praktyczna realizacja wymaga jeszcze wielu uszczegółowień. 
Należy zaznaczyć, że zaproponowane urządzenie może być tylko jedynym urządzeniem funkcjonalnym, które zamontowane zostało w określonym celu w podwoziu pojazdu bezzałogowego lub może stanowić jedno z wielu urządzeń różnego typu i przeznaczenia, które zostały tam zamontowane. Układ przygotowania cieczy roboczej, pokazany na rysunku 97 może być wykorzystany do zasilania kilku aktorów hydraulicznych różnych urządzeń.