Projekt 22: Ballbalancierer

Dieser Wiki-Beitrag ist Teil eines Mess- und Regelungstechnik Projektes, welches im Rahmen vom Fachpraktikum Elektrotechnik (WS 15/16) im Studiengang Mechatronik im 5. Semester erarbeitet wurde.
Der Beitrag dient der Dokumentation der Ergebnisse und Erfahrungen die während des Projektes Ballbalancierer erziehlt und gesammelt wurden.

Projektbearbeitung: Jan Völlmecke

Laboraufbau Ballbalancierer (CAD)

Projektbetreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel

Einführung

Der Ballbalancierer ist ein Laborversuch an dem das Verhalten verschiedener Reglertypen untersucht und erlernt werden kann. Dabei wird eine Kugel auf einer Wippe balanciert. Die gewünschte Position der Kugel auf der Wippe, sowie die Parameter des Reglers lassen sich über Potentiometer beliebig einstellen.

Ein Servomotor angesteuert vom Herzstück des Regelsystems, dem Mikrocontroller "Arduino Uno", welcher zugleich als Schnittstelle zwischen Sensorik und Aktorik dient, soll die in Schieflage gebrachte Wippe so ansteuern, dass der Ball unabhängig der Erdanziehungskraft an die gewünschte Position rollt.

Projektsteckbrief

Aufgabe
Entwurf eines Reglers für einen mechanisch und elektrisch "fertigen" Laborversuch

Erwartungen an die Projektlösung

• Recherche zu bestehenden Lösungen
• Sensorkonzept: Auswahl und Test von geeigneten Sensoren zur Erkennung der Lage des Balls bzw. der Kugel
• Falls erfolgreich:
  • Entwurf eines Regelkreises
  • Systemidentifikation (Übertragungsfunktion der Regelstrecke bestimmen)
  • Vergleichen und bewerten Sie verschiedene Regelansätze (P, PI, PID), Darstellen der Soll-/Istgrößen
• Programmiersprache: C
• Test und wissenschaftliche Dokumentation
• Live Vorführung während der Abschlusspräsentation
• weitere Erwartungen an Präsentation und Dokumentation

Planungs-/Klärungsphase

Die Projektbearbeitung begann nach der Einführungsveranstaltung mit der Recherche zur bestehenden Lösung. So wurden der "fertige" Versuchsaufbau im Mechatronik-Labor inspiziert und später die bisherigen Projektunterlagen und Dokumentationen durchgelesen um einen Einstieg in die Problemstellung zu bekommen. Im Anschluss daran ist mittels einer selbst entwickelten Excel-Tabelle die Projektplanung mit den einzelnen Projektphasen, deren Meilensteinen und Teilaufgaben durchgeführt worden. Zudem enthält dieses sogenannte Gant-Chart ein Logbuch in welchem festgehalten werden soll, zu welcher Zeit die einzelnen Teilaufgaben erledigt wurden bzw. wie fortgeschritten die Bearbeitung daran ist.

Projketplanung

Abbildung der Projektplanung inklusive Tracking und Logbuch aus erstellter und Exceldatei

Konzeptionsphase

Die Anschließende Projektphase bestand aus den Meilensteinen Konzeptausarbeitung, -Auswahl, und Test des gewählten Konzeptes.
Überwiegend bestand die Ideensammlung in Internetrecherche und aus vorherigen Projektdokuementationen. Es wurde sich über verschiedene Sensoren informiert und in Bezug auf den Ballbalancierer die Umsetzbarkeit untersucht. Aufgrund der Aussage aus dem vorherigen Wikibeitrag ..., dass ein Infrarotsensor besser funktioniere als ein Ultraschallsensor, es jedoch Probleme beim Messbereich gibt, wurde sich dazu entschlossen einen zweiten Infrarotsensor auf die gegenüberliegende Seite der Wippe zu installieren. Diese beiden Signale gilt es dann zu überlagern bzw. auszuwählen mit welchem Sensor in welchem Bereich der Wippe gemessen werden soll. Die Messbereichsproblematik kann so umgangen werden.

Datei:Sensorkonzept Messbereich.JPG

Laboraufbau Ballbalancierer (CAD)

Weitere Entscheidungsgründe für das Sensorkonzept mit einem weiteren Infrarotsensor, waren das Projektbudget und der Lagerbestand der Bauteile im Mechatroniklabor.

Literaturverzeichnis

Autor: Jan Völlmecke