ArduMower: Regler: Unterschied zwischen den Versionen
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Ziel der Auslegung war es der Perimeterschleife zu folgen, und in die enge Ladestation hinein zu fahren. | Ziel der Auslegung war es der Perimeterschleife zu folgen, und in die enge Ladestation hinein zu fahren. | ||
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Eine Demonstration des Reglers inklusive einparken ist unter folgendem Link zu finden | |||
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Version vom 19. Februar 2018, 23:11 Uhr
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 essential 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.
|
Marcel Kreuer | 05.10.2017 | Simon Kohfeld | 05.10.2017 |
| 2 | Der Regler hat folgende Ausgangsgrößen.
|
Marcel Kreuer | 05.10.2017 | Simon Kohfeld | 05.10.2017 |
| 3 | Der Roboter muss aus Entfernungen von bis zu 1,5 Metern zum Soll-Kurs, 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 Soll-Kurs 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.
Komponenten Spezifikation
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, so dass 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 wird 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 Hauptworkload lag jedoch nicht in der Implementierung des Reglers, sondern in der Auslegung dessen. Die Auslegung unterteilt sich dabei in folgende Punkte:
Bestimmung der System-Verhaltens
Der Rasenmähroboter wurde mithilfe einer Sprungantwort auf die Antriebsräder auf sein Systemverhalten untersucht. Dabei fiel auf, das der Roboter seine Fahrt mit konstantem Radius fortsetzte. Diese Verhalten wurde als I^2-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, so dass 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 https://youtu.be/NFWLRe9fYF8
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 | 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 |
| 2 | 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 |
| 3 | 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 |
| 4 | 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 |
| 5 | Der Mäher wir während der fahrt um 90 Grad gedreht. | 0, 120, 0 | Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs. | OK | Marcel Kreuer | 24.01.2018 |
| 6 | Der Mäher wir 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 |
Zusammenfassung
Im Zuge des Projektes Ardumower wurde ein Regler implementiert, mit dem es Möglich ist der Perimeterschleife zu folgen und der sämtliche Anforderungen erfüllt.
Ansatzpunkte für die Fortführung des Ardumower Projektes
Für weitere Semester kann die Einstellung des Reglers sicherlich verfeinert werden um dem Kurs besser folgen zu können. Durch die Strategie kann noch eine Windur Erkennung implementiert werden, welche verhindert, das bei zu großem Abstand zum Sollkurs, sich der Roboter im Kreis dreht.
Link zum Quelltext in SVN
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