ArduMower: Regler

Dieser Wiki-Beitrag ist Teil eines Projektes, welches im Rahmen vom Fachpraktikum Elektrotechnik im 6. Semester und 7. Mechatronik absolviert wurde. Ziel des Beitrags ist es, eine nachhaltige Dokumentation zu schaffen, welche die Ergebnisse festhält und das weitere Arbeiten am Projekt ermöglicht.

Autoren: Marcel Kreuer

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Schneider, Prof. Dr.-Ing. Mirek Göbel

Projekt: Ardumower

Einleitung

Dieser Artikel beschreibt die Implementierung des Reglers eines Mähroboters. Ziel ist es, eine Regelung der Radgeschwindigkeiten zu erreichen, sodass der Mähroboter die von der Strategie errechneten Wege trotz Störeinflüssen befahren kann.

Anforderungen

Sowohl im Lasten-, als auch im Pflichtenheft finden sich keine direkten Anforderungen an eine Regelung der Fahrt des Mähroboters. Sie ist jedoch essentiell wichtig, um beispielsweise die Fahrt zur Ladestation, das Umsetzen einer Mähstrategie, das vollständige Mähen der Fläche, und die Anforderung an die Verarbeitungszeit zu erfüllen

Um eine Umsetzung des Reglers zu spezifizieren, wurden folgende Anforderungen an die Karte gestellt:

ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Der Regler hat folgende Eingangsgrößen. Den euklidischen Abstand zum Soll-Kurs: Abstand_Soll_Kurs Die mittlere Geschwindigkeit des Roboters in PWM: PWM_Sollgeschwindigkeit	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
2	Der Regler hat folgende Ausgangsgrößen. PWM Geschwindigkeit des linken Motors: PWM Motor Links PWM Geschwindigkeit des rechten Motors: PWM Motor Rechts	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
3	Der Roboter muss aus Entfernungen von bis zu 1,5 Metern zum Sollkurs, zurück zum Sollkurs finden.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
4	Der Roboter muss aus einer Entfernung von 1 Meter, binnen 3 Metern zurück auf dem Sollkurs sein.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
5	Der Roboter darf bei der Regelung im vorgeschriebenen Funktionsbereich nicht mehr als 30 cm überschwingen.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
6	Der Regler muss zyklisch aktualisiert werden.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
7	Die Umsetzung muss als Simulink-Modell erfolgen.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
8	Die Implementierung muss nach dem Prinzip eines PID-Reglers geschehen.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
9	Die Ausgangsgrößen dürfen einen Wert von 255 zu keiner Zeit überschreiten.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
10	Die Implementierung muss ohne Beeinträchtigung der Laufzeit erfolgen.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
11	Bei Kommentierung und Dokumentation muss sich an die Projektrichtlinien gehalten werden.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017

Funktionaler-/Technischer Systementwurf

Bei der Größe des zu erstellenden Modells werden die Schritte Funktionaler Systementwurf / Technischer Systementwurf des V-Modells zusammen gelegt und bereits Schnittstellen zwischen den einzelnen Blöcken definiert.

Aufgrund der geringen Komplexität des Reglers wird dieser in einem Block implementiert.

Komponentenspezifikation

Das Modell des Reglers wird als Komponente aufgefasst, d.h. in einem Block Regler dem späteren Hauptprogramm zur Verfügung gestellt.

Dabei wird wie folgt vorgegangen.

Zunächst wird aus dem Abstand zum Soll-Kurs und dem Soll_Abstand eine Abweichung berechnet. Diese wird mit einem Multiplikationsfaktor(P-Anteil) verrechnet. Parallel wird die Abweichung auch an einem Integrator (I-Anteil) und an einen Differentiator mit vorgeschaltetem Filter verrechnet. Die drei Anteile bilden addiert die Stellgröße. Von der mittleren Geschwindigkeit der Räder wird die Steilgröße einmal abgezogen und einmal addiert, sodass sich unterschiedliche Werte für das linke und rechte Rad ergeben. Diese Werte werden auf 255 begrenzt.

Programmierung

In diesem Abschnitt wird die Implementierung des Reglers in Simulink gezeigt.

Dabei werden neben der Verrechnung der Eingänge, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, auch Diagnose-Ausgänge implementiert. Diese Diagnose-Ausgänge ermöglichen dabei, die einzelnen Signale über die WLAN- Schnittstelle zu übertragen.

Die Hauptarbeitspensum lag jedoch nicht in der Implementierung des Reglers, sondern in der Auslegung dessen. Die Auslegung unterteilt sich dabei in folgende Punkte:

Bestimmung des System-Verhaltens

Regler Simulation mit P=20 und D=50

Der Rasenmähroboter wurde mithilfe einer Sprungantwort auf die Antriebsräder auf sein Systemverhalten hin untersucht. Dabei fiel auf, dass der Roboter seine Fahrt mit konstantem Radius fortsetzte. Diese Verhalten wurde als I²-Verhalten klassifiziert.

Auswahl des Reglers

Zur Regelung des beobachteten Systemverhaltens wurde ein PD-Regler ausgewählt.

Auslegung der Regelparameter

Die Auslegung der Regelparameter erfolgte in zwei Schritten. Zunächst wurde das Fahrzeugmodell von Prof. Dr.-Ing. Göbel benutzt, um eine Offline-Auslegung des Reglers zu implementieren. Dies spart viel Zeit gegenüber der Auslegung des Reglers am Ardumower.

Danach wurde versucht, die ermittelten Werte auf dem Ardumower zu verifizieren. Leider gelang dies nicht, sodass erneut eine komplette Regler-Auslegung manuell gestartet werden musste. Ziel der Auslegung war es ,der Perimeterschleife zu folgen, und in die enge Ladestation hinein zu fahren.

Demonstration

Eine Demonstration des Reglers inklusive Einparken ,ist unter folgendem Link zu finden Youtube

Komponententest

Da es sich bei dieser Entwicklung um die einer einzelnen Komponente handelt, schließt der Komponententest mit dem Testbericht die Entwicklung ab.

ID	Testfallbeschreibung	Eingänge Abstand_Soll_Kurs, PWM Sollgeschwindigkeit, Soll_Abstand	Erwartetes Ergebnis	Testergebnis	Testperson	Datum
1	Kompilierung in Simulink	0.5, 120, 0	Der Regler lässt sich in Simulink kompilieren	OK	Marcel Kreuer	24.01.2018
2	Integration in Hauptprojekt	0.5, 120, 0	Es kommt zu keiner signifikanten Laufzeitbeeinflussung	OK	Marcel Kreuer	24.01.2018
3	Eingangsgrößen	0.5, 120, 0	Der Regler verarbeitet ohne Fehler die gesetzten Eingangsgrößen	OK	Marcel Kreuer	24.01.2018
4	Ausgangsgrößen	0.5, 120, 0	Der Regler liefert an beiden Ausgängen einen Wert im PWM-Bereich	OK	Marcel Kreuer	24.01.2018
5	Der Mäher fährt mit 0,5 m Abstand zum Sollkurs.	0.5, 120, 0	Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs	OK	Marcel Kreuer	24.01.2018
6	Der Mäher fährt mit 1 m Abstand zum Sollkurs.	1.0, 120, 0	Der Mäher fährt in weniger als 3 m zurück auf Sollkurs	OK	Marcel Kreuer	24.01.2018
7	Der Mäher fährt mit 1,5 m Abstand zum Sollkurs.	1.5, 120, 0	Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs.	OK	Marcel Kreuer	24.01.2018
8	Der Mäher fährt mit 3 m Abstand zum Sollkurs.	3.0, 120, 0	Der Wert an den PWM-Ausgängen überschreitet den Schwellwert von 255 nicht.	OK	Marcel Kreuer	24.01.2018
9	Der Mäher wird während der Fahrt um 90 Grad gedreht.	0, 120, 0	Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs.	OK	Marcel Kreuer	24.01.2018
10	Der Mäher wird über 60 Sekunden simuliert	0, 120, 0	Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs. Simulation der Ergebnisse in unter 2 Sekunden.	OK	Marcel Kreuer	24.01.2018
11	Es wurde sich an die Programmierrichtlinien gehalten	-	Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs. Simulation der Ergebnisse in unter 2 Sekunden.	nicht OK	Marcel Kreuer	24.01.2018

Zusammenfassung

Im Zuge des Projektes Ardumower wurde ein Regler implementiert, mit dem es möglich ist, der Perimeterschleife zu folgen, in die Garage einzuparken und der sämtliche Anforderungen erfüllt. Neben der Reglerauslegung selbst, wurde das Hauptframework so verändert, dass auch ohne funktionierende Mähstrategie, ein Testen der Regelparameter möglich war. So konnten Regelparameter gefunden werden, mit denen es möglich war, der Perimeterschleife zu folgen und schließlich in der Garage einzuparken. Wie im Video zu sehen ist, gibt es noch Verbessungspotential in der Regelung des Roboters. Hierfür ist auch der Perimeterschleifensensor verantwortlich, der nur sehr stark springende, verrauschte Abstände zur Perimeterschleife lieferte. Dies war im Bereich an und über der Schleife selbst besonders stark, so dass für die Fahrt an der Perimeterschleife ein Abstand von 0,25 m gewählt wurde. Hier liefert der Sensor weniger validere Werte.

Ansatzpunkte für die Fortführung des Ardumower Projektes

Für weitere Semester kann die Einstellung des Reglers sicherlich verfeinert werden, um dem Sollkurs besser folgen zu können. Durch die Strategie kann noch eine Windup-Erkennung implementiert werden, welche verhindert, dass bei zu großem Abstand zum Sollkurs, sich der Roboter im Kreis dreht. Insbesondere bedarf es einer Anpassung von Variablenamen und Farben gemäß der Programmierrichtlinien.

Link zum Quelltext in SVN

SVN: ArduMower Regler.slx

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