Malender Roboter mit Arduino: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 27. August 2021, 01:48 Uhr

Autoren: Stefan Arndt
Betreuer: Prof. Schneider
Art: PA
Projektlaufzeit:

Abb. 1: Arduino Engineering Kit - Malender Roboter

Thema

Aufbau eines selbsmalenden Roboters.

Ziel

Das Arduino Engineering Kit ermöglicht den Aufbau dreier regelungstechnischer Herausforderungen. In diesem Projekt soll ein malender Roboter gebaut und programmiert werden. Das Projekt wurde zudem durch eine Simulation erweitert.

Verwendete Software

MATLAB R2021a (exportierte Modelle für R2019a liegen dem Projekt bei)

Aufgabenstellung

Einarbeitung in das Thema, auch aus regelungstechnischer Sicht
Identifikation der Regelstrecke
Sichtung und Test des bestehenden Bausatzes
Aufbau des Systems (ggf. Platinenfertigung, etc.)
Vergleichen und bewerten Sie verschiedene Regleransätze (P, PI, PID und andere).
Modellbasierte Programmierung der Hardware via Matlab und Simulink
Test des Malroboters
Dokumentation nach wissenschaftlichem Stand
Funktionsnachweis als YouTube-Video

Bewertung des Bausatzes

Identifikation der Regelstrecke

Bild 1: Regelstrecke des Gleichstrommotors

Aufbau des Systems

Bild 3: Aufbau der Hardware am Whiteboard

Bewertung verschiedener Regleransätze

Eine Bewertung erfolgt qualitativ auf Grundlage der Eigenschaften der drei Regler in Tabelle 1.

Tabelle 1: Bewertung verschiedener Regleransätze
Regler	Bewertung
P	Ein P-Regler erreicht in unserem Fall keine Regeldifferenz von 0. Die bleibende Regelabweichung kann durch Erhöhung des Parameters $K_P$ verringert werden. Dies begünstigt jedoch ein aggressives Verhalten der Regelung.
PI	In dem Projekt wurde ein PI-Regler verwendet. Dieser kompensiert durch sein Integrator die bleibende Regelabweichung. Als Paremater wurden $K_P = 8$ und $K_I = 16$ verwendet. Dar unsere Stellgröße begrenzt ist, tritt der Wind-Up-Effekt auf. Dieser wird durch die Clamping-Methode verhindert.
PID	Der PID-Regler erweitert den PI-Regler durch ein Differenzierer, der auf die Änderungsrate der Reglerabweichung reagiert. Der Roboter hat keine komplexe Kinematik, wodurch die Änderungsrate meist konstant bleibt. Deshalb wird auf ein I-Glied verzichtet.

Modellbasierte Programmierung

Die Programmierung wurde mithilfe einer simulierten Umgebung realisiert. Der Projektordner lautet "aek_plotter". Inerhalb des Projekordners sind die Dateien für die Übungsaufgaben der Seite https://aek.arduino.cc/ Der Unterordner "simulink" enthält die entwickelte Simulationsumgebung.

Simulations- oder Hardwareumgebung starten

Im Simulink-Ordner ./aek_plotter/simulink die Datei start.m ausführen
potter_sim.slx öffnen für die Simulationsumgebung oder plotter_hardware.slx zur Ausführung auf der Hardware

Simulationsanzeige

Die Simulationsanzeige in Abbildung 3 zeigt den Malroboter nach seiner Ausführung der Zeichnung des HSHL-Logos. Das blaue Rechteck definiert unseren zulässigen Malbereich. Das Quadrat in der unteren-linken Ecke, zeigt den Status der gewählten Stiftfarbe an. Hier sind vier Farben möglich:

Tabelle 1: Bewertung verschiedener Regleransätze
Farbe	Bedeutung	servoPos-Variable im Stateflow
Weiß	Kein Stift wurde ausgewählt.	par_MarkerIdle
Schwarz	Der Roboter malt mit dem schwarzen Stift.	par_MarkerLeft
Rot	Der Roboter malt mit dem roten Stift.	par_MarkerRight
Hellblau	Der Stiftzustand wurde nicht gesetzt (uninitialisiert).	None

Parametrierung

In der folgenden Tabelle 2 sind die wichtigsten Parameter für die Ausführung des Modells erklärt. Einige Parameter gehen aus den Aufgaben der AEK-Seite hervor und werden mithilfe dieser berechnet. Die Bennung wurde in dem Fall zum größten Teil beibehalten.

Tabelle 1: Bewertung verschiedener Regleransätze
Parameter	Beschreibung	Einheit	Wert
Ts	Zeitschritt des Modells. Sollte kleiner sein als die Hälfte der kleinsten Zeitkonstante des Systems.	Sekunden	0,05
L_i	Aus Aufgabe. Seillänge von der Motorspule bis zur starren Rolle. Als Vektor: [Länge_links Länge_rechts]	[Meter Meter]	-
par_L_arm	Aus Aufgabe. Abstand von der Motorspule bis zum Malpunkt.	Meter	0.075
par_Kp	Parameter für das P-Glied	-	8
par_Ki	Parameter für das I-Glied	-	16
par_thresh_stable	Das Ist-Inkrement wird mit einer Abweichung von par_thresh_stable als erfüllt/stabil betrachtet.	Inkrement	5
par_spule_sign	Muss angepasst werden je nach Wicklungsart der Spule (im Uhrzeigersinn oder gegen)	1, -1	-1
UI_hRobot_stayOnTop	Soll die Oberfläche der Simulationsanzeige dauert im Fokus sein?	Bool	false

Anforderung

Wissenschaftliche Vorgehensweise (Projektplan, etc.)
Wöchentliche Fortschrittsberichte (informativ)
Projektvorstellung im Wiki
Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.

Weblinks

Software

Siehe auch

→ zurück zum Hauptartikel: Studentische Arbeiten

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 ==== Parametrierung ====
 In der folgenden Tabelle 2 sind die wichtigsten Parameter für die Ausführung des Modells erklärt.
-Einige Parameter gehen aus den Aufgaben der [https://aek.arduino.cc/ AEK-Seite] hervor und wurden nicht unbenannt.
+Einige Parameter gehen aus den Aufgaben der [https://aek.arduino.cc/ AEK-Seite] hervor und werden mithilfe dieser berechnet. Die Bennung wurde in dem Fall zum größten Teil beibehalten.
 {| class="mw-datatable"
 ! style="font-weight: bold;" | Parameter
 ! style="font-weight: bold;" | Beschreibung
+! style="font-weight: bold;" | Einheit
 ! style="font-weight: bold;" | Wert
 |+ style = "text-align: left"|Tabelle 1: Bewertung verschiedener Regleransätze
 |-
 | Ts
-| Zeitschritt des Modells in Sekunden. Sollte kleiner sein als die Hälfte der kleinsten Zeitkonstante des Systems.
+| Zeitschritt des Modells. Sollte kleiner sein als die Hälfte der kleinsten Zeitkonstante des Systems.
+| Sekunden
 | 0,05
 |-
 | L_i
-| Seillänge vom Motor bis zur starren Rolle in Meter. Als Vektor in Meter: [Länge_links Länge_rechts]
+| Aus Aufgabe. Seillänge von der Motorspule bis zur starren Rolle. Als Vektor: [Länge_links Länge_rechts]
+| [Meter Meter]
 | -
 |-
-| Rot
+| par_L_arm
-| Der Roboter malt mit dem roten Stift.
+| Aus Aufgabe. Abstand von der Motorspule bis zum Malpunkt.
-| par_MarkerRight
+| Meter
+| 0.075
 |-
-| Hellblau
+| par_Kp
-| Der Stiftzustand wurde nicht gesetzt (uninitialisiert).
+| Parameter für das P-Glied
-| None
+| -
+| 8
+|-
+| par_Ki
+| Parameter für das I-Glied
+| -
+| 16
+|-
+| par_thresh_stable
+| Das Ist-Inkrement wird mit einer Abweichung von par_thresh_stable als erfüllt/stabil betrachtet.
+| Inkrement
+| 5
+|-
+| par_spule_sign
+| Muss angepasst werden je nach Wicklungsart der Spule (im Uhrzeigersinn oder gegen)
+| 1, -1
+| -1
+|-
+| UI_hRobot_stayOnTop
+| Soll die Oberfläche der Simulationsanzeige dauert im Fokus sein?
+| Bool
+| false
 |-
 |}