Laborversuch Gyroskop mit DS1104

Autor: Lars Engeln & Sven Brinkmann
Betreuer: Prof. Schneider

Einleitung

In diesen Praktikum wird ein Motor über einen Drehknopf bedient, damit die Drehgeschwindigkeit variabel eingestellt werden kann. Auf dem Motor wird ein Drehteller mit einer Gyroskop Halterung montiert,
sodass das Gyroskop im Stillstand (Ruheposition) kalibriert werden kann. In diesem Versuch wird das Gyroskop (GY-35-RC) verwendet. Die Vorrichtung dient zum Vergleichen der Winkelgeschwindigkeit, zwischen
dem Gyroskop und einer Referenzmessung. Diese Referenzmessung wird zunächst durch eine Einstellung in der Motorsteuerung realisiert, sollte diese Funktionsweise nicht standhalten wird auf eine Geschwindigkeitsmessung
mithilfe einer Drehachse und Lochscheibe z.B Speedsensor LM393 zurückgegriffen. Die berechneten Ergebnisse vom Gyroskop und der Referenzmessung werden auf einem Display angezeigt.

Anforderungen

Tabelle 1: Funktionale Anforderungen an der Gyroskop-Projekt

ID	Inhalt	Klasse	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Als Hauptsensor kommt ein analoges Gyroskop (GY-35-RC) zum Einsatz. Darauf verbaut ist ein muRata ENC-03RC Einachsgyro. Dies ist bereits vorhanden.	FR	Prof. Schneider	10.10.2023	Lars Engeln	11.10.2023
2	Ein Motor dreht das Gyroskop mit konstanter Geschwindigkeit im Bereich von ±300 °/s.	FR	Prof. Schneider	10.10.2023	Lars Engeln	11.10.2023
3	Die Drehgeschwindigkeit soll über einen Drehknopf eingestellt werden.	FR	Prof. Schneider	10.10.2023	Lars Engeln	11.10.2023
4	Die wahre Geschwindigkeit (Referenz) wird mit einem Drehencoder auf ±0,1 °/s bestimmt.	NFR	Prof. Schneider	10.10.2023
5	Als Messwerterfassungskarte kommt eine dSpace DS1104 R&D Controller Board zum Einsatz.	FR	Prof. Schneider	10.10.2023
6	Mit der Messwerterfassungskarte werden die Gierrate des Gyro und des Referenzsystems erfasst.	FR	Prof. Schneider	10.10.2023
7	Referenzgeschwindigkeit und Messwert werden auf eine Display angezeigt.	FR	Prof. Schneider	10.10.2023	Lars Engeln	11.10.2023
8	Der Messaufbau muss für Studentische Praktika robust und langlebig sein.	FR	Prof. Schneider	10.10.2023	Lars Engeln	11.10.2023
9	Die digitale Signalverarbeitung erfolgt über MATLAB/Simulink.	NFR	Prof. Schneider	10.10.2023	Lars Engeln	11.10.2023
10	Die Anzeige der Mess- und Referenzdaten erfolgt in dSpace ControlDesk.	NFR	Prof. Schneider	10.10.2023
11	Im Stillstand muss der Gyrooffset kalibriert werden.	FR	Prof. Schneider	10.10.2023	Lars Engeln	11.10.2023
12	Die Messwerte Gierrate und Winkel sind mitsamt Messunsicherheit anzuzeigen.	FR	Prof. Schneider	10.10.2023	Lars Engeln	11.10.2023
13	Die Spannungsversorgung kann über ein Labornetzteil erfolgen.	FR	Prof. Schneider	10.10.2023	Lars Engeln	11.10.2023
14	Der Aufbau muss möglichst kompakt gestaltet werden, damit er platzsparend gelagert werden kann.	FR	Prof. Schneider	10.10.2023	Lars Engeln	11.10.2023

Bill of materials (BOM)

Anzahl	Komponente	Preis	Link
1	Arduino Uno 3	TBD	TBD
2	DC-Motor mit Encoder	TBD	TBD
3	Motor Controller mit Poti und Schalter	TBD	TBD
4	Gyroskop GY-35-RC	TBD	TBD
5	Mechanik Komponenten	TBD	TBD
6	TBD	TBD	TBD
7	TBD	TBD	TBD

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Funktionaler Systementwurf

Im funktionalen Systementwurf wurde das System in mehrere Subkomponenten unterteilt, die jeweils für eine spezifische Teilaufgabe zuständig sind. Durch die Zusammensetzung dieser Komponenten wird die Gesamtaufgabe des Laborversuchs erfüllt. Die Unterteilung in spezifische Subkomponenten ermöglicht es, das Gesamtsystem übersichtlich und verständlich zu gestalten und die Entwicklung des Projekts zu strukturieren.

• Arduino: Der Mikrocontroller wertet die Sensordaten aus und stellt Sie dem Anwender zur Verfügung. Mit dem Ergebnis wird das Display angesteuert.

• Display: Das Display visualisiert dem Anwender die Messergebnisse.

• Referenzmessung: Diese Komponente misst die Winkelgeschwindigkeit des Motors.

• Motortreiber & Drehknopf: Der Motortreiber & Drehknopf steuert die Energiezufuhr des Motors und begrenzt somit dessen Leistung.

• Schleifring: Der Schleifring dient zu Energieversorgung und Übertragung der Sensordaten des Gyroskop.

• Mechanik-Baugruppen: Mit den Mechanik Baugruppen wird das gesamte Laborgestell beschrieben, es dient zum fixieren des Gyroskop sowie zum abdämpfen von Schwingungen.

In Abb.1 wird zunächst der funktionale Systementwurf dargestellt.
Bei dem Signalfluss in (Abb.2) werden zunächst ein Arduino und ein LCD-Display verwendet, da auf diese Weise die aktuellen Werte des Gyroskops und des Referenzwertes angezeigt werden können.

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  Abb. 1 Funktionaler Systementwurf

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  Abb.2 Funktionaler Systementwurf Signalfluss

Technischer Systementwurf

Für den technischen Systementwurf ist nun Abb. 3 beschreibend. Es wird von dem Nutzer ein Sollwert über einen Drehknopf(Potentiometer) eingestellt. Dieser Sollwert wird dann an den Motortreiber weitergegeben, welcher den Motor antreibt. Der angetriebene Motor beginnt somit sich zu drehen, was dafür sorgt, dass das Gyroskop Werte bezüglich der Geschwindigkeit zurückgibt. Über diese Messung, wird das Signal Rückgekoppelt, um die Differenz des Soll- und Istwerts zu bestimmen und um den Motor zu Regeln.

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  Abb. 3 Technischer Systementwurf Regelkreis

Projektplan

Nachfolgend wird der erstellte Projektplan anhand eines Gantt-Charts dargestellt.

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  Abb. 4 Projektplan

Umsetzung (HW/SW)

Programm-Ablauf-Plan

In Abbildung 5 ist der Programm-Ablauf-Plan dargestellt. Dieser gibt wieder wie das Programm und damit die Regelung mit unserer Hardware funktionieren soll.

Abbildung 5: Programm-Ablauf-Plan

Komponententest

Die zu testenden Komponenten sind

• die Potentiometer
• der Motor
• das Gyroskop
• der Arduino

Literatur

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