Malender Roboter mit Arduino

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

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

Identifikation der Regelstrecke

Bild 1: Regelstrecke des Gleichstrommotors

Aufbau des Systems

Bild 2: Darstellung des Malroboters

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

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

Simulationsanzeige

Bild 4: Anzeige der Simulation

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[1]

Tabelle 1: Bewertung verschiedener Regleransätze

Parameter	Beschreibung	Wert
Ts	Zeitschritt des Modells. Sollte kleiner sein als die Hälfte der kleinsten Zeitkonstante des Systems.	0,05
L_i	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

Anforderung

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

Weblinks

1. Arduino Engineering Kit
2. YouTube: Unboxing the Arduino Engineering Kit
3. Deer Drawing
4. Arduino Store

Software

1. Arduino Engineering Kit Hardware Suppo​rt
2. Arduino Engineering Kit Hardware Suppo​rt für R2018b
3. Arduino Engineering​ Kit Project Files
4. Reinforcement learning with Self-balancing motorcycle

Siehe auch

1. Studentische Arbeiten bei Prof. Schneider
2. Anforderungen an eine wissenschaftlich Arbeit

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