Projekt 38: Regelung eines instabilen Systems

Michael Bock

Autoren: Madlen Bartnick, Nick Kleinewalter & Michael Bock

Betreuer: Prof. Dr. Ing.-Schneider & Prof. Dr.-Ing. Göbel

Aufgabe

Regeln Sie ein instabiles System, wie z.B. ein Motorrad oder einen Ballbalancierer

Erwartungen an die Projektlösung

• Einsatz einer von Matlab / Simulink unterstützten Hardware (z.B. Lego EV3, Raspberry Pi, Galileo, oder Arduino)
• Darstellung der Theorie
• Systemidentifikation (Übertragungsfunktion der Regelstrecke bestimmen)
• Realisierung des Aufbaus
• Vergleichen und bewerten Sie verschiedene Regleransätze (P, PI, PID und andere).
• Modellbasierte Programmierung der Hardware mit Simulink
• Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.
• Test und wiss. Dokumentation
• Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Schwierigkeitsgrad

Anspruchsvoll (****)

Einleitung

Im Rahmen des GET-Fachpraktikums an der HSHL wurde die Aufgabe gestellt, ein instabiles System zu konstruieren und dieses anschließend durch eine Regelung zu stabilisieren. Dabei ist die Wahl auf die Konstruktion eines Motorrads als instabiles Systems gefallen. Dieses soll mit einem LEGO MINDSTORMS EV3 Baukasten konstruiert und mit Matlab / Simulink geregelt werden.

Verwendete Bauteile

• LEGO Mindstorm Education V3 Base Kit (mit Software)
• LEGO MINDSTORMS Education EV3 Ergänzungsset
• LEGO MINDSTORMS Education EV3 Gyrosensor
• 2 LEGO Technic Räder 81,6x15 Motorrad
• EDIMAX EW-7811UN Wireless USB Adapter, 150 Mbit/s, IEEE802.11b/g/n

Verwendete Software

• Lego Digital Designer
• LeoCAD
• Autodesk 3D Studio MAX 2018
• Mindstorms EV3 Education
• Matlab / Simulink

Projekt

Planung des Projekts

Die erste Aufgabe im Praktikum war es ein Projektplan zu erstellen, um den Umfang zu ermitteln. Die zeitliche Darstellung ist dabei in Kalenderwochen beschrieben. Wie aus der Grafik ersichtlich ist, hat die Programmierungsphase dabei mehr Zeit in Anspruch genommen, als ursprünglich geplant.

Michael Bock

Konstruktionsphase

Zu Beginn sind die Anforderungen an die Konstruktion ermittelt worden, um diese bestmöglich auf die zu erfüllende Aufgabe abzustimmen. Dabei war die erste Überlegung, das Motorrad so zu konstruieren, dass es symmetrisch zur Neigungsachse ist. Dadurch ist gewährleistet, dass das Motorrad keine Schlagseite aufweist. Darüber hinaus sollte der Schwerpunkt des Systems möglichst niedrig liegen, um dadurch einen möglichst großen Winkel der Neigungsachse zu ermöglichen, ohne dass das System umkippt. Desweiteren musste berücksichtigt werden, dass das Gyroskop auf der Neigungsachse verbaut wird, um so die richtigen Messdaten zu empfangen. Die Lenkung bedurfte ebenfalls besondere Aufmerksamkeit, da diese schnell und präzise reagieren muss.

So kam es dazu, dass die Lenkung während des Projektes mehrmals umgebaut und verbessert wurde. Ebenfalls variierte der Radabstand bei den verschiedenen Modellen. Ein kurzer Abstand bei einem der ersten Modelle führte dazu, dass das Motorrad nach hinten wegkippte als es losfuhr. Verantwortlich dafür war ebenfalls der noch zu hohe Schwerpunkt des Systems. Daraufhin wurde der Radabstand vergrößert und dann der Schwerpunkt abgesenkt, indem der EV3-Block tiefer gesetzt wurde, was für ein stabileres System sorgte. Auch das Gyroskop wurde unter den EV3-Block gesetzt, damit der Schwerpunkt weiter herab gesetzt wurde und der Sensor stabil befestigt werden konnte.

Programmierphase

Nachdem das Motorrad gebaut wurde, stand nun die Programmierung auf dem Plan. Zuerst wurden Informationen eingeholt, um eine Planung für die Regelung aufzustellen. Eingehende Paramater wie die Daten des Gyrosensors und Lenkwinkels wurden bestimmt. Im Anschluss daran wurde überlegt, welche Signale ausgegeben werden müssen, um das System zu regeln. Die beiden Antriebsmotoren, sowie der Motor für die Lenkung wurden als Outputs identifiziert. Zeitgleich mussten die verschiedenen Messdaten ausgewertet werden, um die nächsten Schritte voraus zu planen. Die Gierrate ließ dabei Rückschlüsse auf die Neigung der Längsachse und die Lenkwinkeländerung auf den Lenkwinkel schließen.

Im Anschluss daran wurde begonnen die Regelung mit Matlab / Simulink zu realisieren.

Fazit

Die Durchführung des Projekts lief in der Anfangsphase und der Konstruktionsphase sehr gut, sodass schnell Ergebnisse erzielt werden konnten. Auch die geplanten Zeiträume für die Arbeitspakete haben dort sehr gut gepasst. In der Programmierphase kam es leider zu mehr Schwierigkeiten als anfangs erwartet und somit konnten die Anpassungen und das Feintuning nicht vollständig abgeschlossen werden. Trotzdem fuhr das Motorrad sehr gut und hat sich mit Hilfe des entwickelten Programms selbstständig geregelt.

Ergebnis

- Ein instabiles System wurde entworfen

- Das entwickelte Konzept wurde gebaut

- Eine Aufbauanleitung wurde verfasst

- Eine Regelung des Systems über Matlab / Simulink wurde verwirklicht

- Ein Youtube Video wurde angefertigt

- Das Projekt wurde auf der HSHL-Messe vorgestellt und vorgeführt

Zusammenfassung

Das Projekt im GET-Fachpraktikum kann als sehr gewinnbringend eingestuft werden. So wurde auf viele Bereiche des Mechatronik Studiums eingegangen. Angefangen bei der Konstuktionstechnik, welche bei dem Aufbau des Motorrades hilfreich war, über die Schwerpunktsberechnung aus der technischen Mechanik bis hin zur Regelungstechnik, um das instabile System zu regeln. So wurden die Kompetenzen in den Bereichen aufgefrischt und haben praxisnah Anwendung gefunden.

Ausblick

In Zukunft kann das Projekt noch erweitert werden. Ein Ultraschallsensor kann dafür sorgen, dass das Motorrad nicht gegen Hindernisse oder Objekte auf der Fahrbahn fährt. Dazu kann es auch dahingehend erweitert werden, dass es diesen ausweicht oder im Notfall anhält. Auch eine Regelung zum geradeaus fahren ist denkbar.

Die Optimierung der Lenkung ist ein weiteres Thema, da diese im aktuellen Aufbau noch sehr viel Spiel hat.

Weblinks

• NXTbike-GS
• Lego Mindstorms EV3 bike project #MATLABHW2k16

YouTube Video

• GET-Praktikum: Projekt 38 Regelung eines instabilen Systems YouTube Video

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