Laborversuch Gyroskop mit DS1104: Unterschied zwischen den Versionen

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| Arduino Uno 3
| Arduino Uno 3
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| DC-Motor mit Encoder
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| Gyroskop GY-35-RC
| Gyroskop GY-35-RC
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Version vom 27. Dezember 2023, 10:17 Uhr

Autor: Lars Engeln & Sven Brinkmann
Betreuer: Prof. Schneider


Einleitung

In diesen Praktikum wird ein Motor über einen Drehknopf bedient, damit die Drehgeschwindigkeit variabel eingestellt werden kann. Auf dem Motor wird ein Drehteller mit einer Gyroskop Halterung montiert,
sodass das Gyroskop im Stillstand (Ruheposition) kalibriert werden kann. In diesem Versuch wird das Gyroskop (GY-35-RC) verwendet. Die Vorrichtung dient zum Vergleichen der Winkelgeschwindigkeit, zwischen
dem Gyroskop und einer Referenzmessung. Diese Referenzmessung wird zunächst durch eine Einstellung in der Motorsteuerung realisiert, sollte diese Funktionsweise nicht standhalten wird auf eine Geschwindigkeitsmessung
mithilfe einer Drehachse und Lochscheibe z.B Speedsensor LM393 zurückgegriffen. Die berechneten Ergebnisse vom Gyroskop und der Referenzmessung werden auf einem Display angezeigt.

Anforderungen

Tabelle 1: Funktionale Anforderungen an der Gyroskop-Projekt
ID Inhalt Klasse Ersteller Datum Geprüft von Datum
1 Als Hauptsensor kommt ein analoges Gyroskop (GY-35-RC) zum Einsatz. Darauf verbaut ist ein muRata ENC-03RC Einachsgyro. Dies ist bereits vorhanden. FR Prof. Schneider 10.10.2023 Lars Engeln 11.10.2023
2 Ein Motor dreht das Gyroskop mit konstanter Geschwindigkeit im Bereich von ±300 °/s. FR Prof. Schneider 10.10.2023 Lars Engeln 11.10.2023
3 Die Drehgeschwindigkeit soll über einen Drehknopf eingestellt werden. FR Prof. Schneider 10.10.2023 Lars Engeln 11.10.2023
4 Die wahre Geschwindigkeit (Referenz) wird mit einem Drehencoder auf ±0,1 °/s bestimmt. NFR Prof. Schneider 10.10.2023
5 Als Messwerterfassungskarte kommt eine dSpace DS1104 R&D Controller Board zum Einsatz. FR Prof. Schneider 10.10.2023
6 Mit der Messwerterfassungskarte werden die Gierrate des Gyro und des Referenzsystems erfasst. FR Prof. Schneider 10.10.2023
7 Referenzgeschwindigkeit und Messwert werden auf eine Display angezeigt. FR Prof. Schneider 10.10.2023 Lars Engeln 11.10.2023
8 Der Messaufbau muss für Studentische Praktika robust und langlebig sein. FR Prof. Schneider 10.10.2023 Lars Engeln 11.10.2023
9 Die digitale Signalverarbeitung erfolgt über MATLAB/Simulink. NFR Prof. Schneider 10.10.2023 Lars Engeln 11.10.2023
10 Die Anzeige der Mess- und Referenzdaten erfolgt in dSpace ControlDesk. NFR Prof. Schneider 10.10.2023
11 Im Stillstand muss der Gyrooffset kalibriert werden. FR Prof. Schneider 10.10.2023 Lars Engeln 11.10.2023
12 Die Messwerte Gierrate und Winkel sind mitsamt Messunsicherheit anzuzeigen. FR Prof. Schneider 10.10.2023 Lars Engeln 11.10.2023
13 Die Spannungsversorgung kann über ein Labornetzteil erfolgen. FR Prof. Schneider 10.10.2023 Lars Engeln 11.10.2023
14 Der Aufbau muss möglichst kompakt gestaltet werden, damit er platzsparend gelagert werden kann. FR Prof. Schneider 10.10.2023 Lars Engeln 11.10.2023
Bill of materials (BOM)
Teile Nr. Anzahl Komponente Preis Link
1 1 Arduino Uno 3 TBD https://funduinoshop.com/elektronische-module/sonstige/mikrocontroller/funduino-uno-r3-mikrocontroller-arduino-kompatibel
2 1 12V DC-Motor mit Encoder TBD https://www.amazon.de/dp/B09LGZ291M?ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details&th=1
3 1 Motor Treiber TBD https://www.roboter-bausatz.de/p/l298n-motortreiber-mit-doppelter-h-bruecke
4 1 Gyroskop GY-35-RC TBD https://www.christians-shop.de/GY-35-RC-einachsiges-Gyroskop-analog-ENC-03RC
5 1 Potentiometer TBD https://www.amazon.de/dp/B073PQ2G82?psc=1&ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details
6 1 Holzleiste TBD https://www.hornbach.de/p/furnierschichtholz-woodpro-35x35x2400-mm/5506216/
7 1 Holzplatte TBD https://www.hornbach.de/p/fixmass-sperrholz-pappel-1200x600x8-mm/5216016/
8 xx Einschlagmuttern M5 TBD https://www.hornbach.de/p/stahl-einschlagmutter-mit-gewinde-m5-7-mm-200-stueck/8673668/?searchTerm=Stahl-Einschlagmutter+mit+Gewinde+M5
9 xx 12 V Netzteil TBD https://www.amazon.de/HOUHUI-Netzteil-100-240V-Stromversorgung-Funkger%C3%A4t/dp/B0BWXCQ67J/ref=sr_1_2?__mk_de_DE=%C3%85M%C3%85%C5%BD%C3%95%C3%91&crid=3BGGKPEHBCDX5&keywords=12+V+6a&qid=1703671142&sprefix=12+v+6a%2Caps%2C125&sr=8-2

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Funktionaler Systementwurf

Im funktionalen Systementwurf wurde das System in mehrere Subkomponenten unterteilt, die jeweils für eine spezifische Teilaufgabe zuständig sind. Durch die Zusammensetzung dieser Komponenten wird die Gesamtaufgabe des Laborversuchs erfüllt. Die Unterteilung in spezifische Subkomponenten ermöglicht es, das Gesamtsystem übersichtlich und verständlich zu gestalten und die Entwicklung des Projekts zu strukturieren.

  • Arduino: Der Mikrocontroller wertet die Sensordaten aus und stellt Sie dem Anwender zur Verfügung. Mit dem Ergebnis wird das Display angesteuert.
  • Display: Das Display visualisiert dem Anwender die Messergebnisse.
  • Referenzmessung: Diese Komponente misst die Winkelgeschwindigkeit des Motors.
  • Motortreiber & Drehknopf: Der Motortreiber & Drehknopf steuert die Energiezufuhr des Motors und begrenzt somit dessen Leistung.
  • Schleifring: Der Schleifring dient zu Energieversorgung und Übertragung der Sensordaten des Gyroskop.
  • Mechanik-Baugruppen: Mit den Mechanik Baugruppen wird das gesamte Laborgestell beschrieben, es dient zum fixieren des Gyroskop sowie zum abdämpfen von Schwingungen.

In Abb.1 wird zunächst der funktionale Systementwurf dargestellt.
Bei dem Signalfluss in (Abb.2) werden zunächst ein Arduino und ein LCD-Display verwendet, da auf diese Weise die aktuellen Werte des Gyroskops und des Referenzwertes angezeigt werden können.

Technischer Systementwurf

Für den technischen Systementwurf ist nun Abb. 3 beschreibend. Es wird von dem Nutzer ein Sollwert über einen Drehknopf(Potentiometer) eingestellt. Dieser Sollwert wird dann an den Motortreiber weitergegeben, welcher den Motor antreibt. Der angetriebene Motor beginnt somit sich zu drehen, was dafür sorgt, dass das Gyroskop Werte bezüglich der Geschwindigkeit zurückgibt. Über diese Messung, wird das Signal Rückgekoppelt, um die Differenz des Soll- und Istwerts zu bestimmen und um den Motor zu Regeln.

Projektplan

Nachfolgend wird der erstellte Projektplan anhand eines Gantt-Charts dargestellt.

Komponentenspezifikation

Umsetzung (HW/SW)

Programm-Ablauf-Plan

Abbildung 5: Programm-Ablauf-Plan

In Abbildung 5 ist der Programm-Ablauf-Plan dargestellt. Dieser gibt wieder wie das Programm und damit die Regelung mit unserer Hardware funktionieren soll. Zu beachten dabei sind folgende Abfragen

  • Ist ein Offset bei dem Gyroskop zu erkennen?
    • Ja -> Das Offset muss korrigiert werden
    • Nein -> Motor kann in Betrieb genommen werden
  • Entspricht die derzeitige Geschwindigkeit der Soll-Geschwindigkeit? (Gemessen am Motor)
    • Nein -> dann wird die Drehgeschwindigkeit angepasst
    • Ja -> Es kann die Referenzmessung mit dem Gyroskop genommen werden
  • Stimmen die Geschwindigkeiten überein? (Gyroskop gemessen und Motor eingestellt)
    • Nein -> Der Motor muss geregelt werden
    • Ja -> Der Motor läuft wie eingestellt weiter


Software

Abbildung 6: Software-Umsetzung

Komponententest

Die zu testenden Komponenten sind

  • die Potentiometer
  • der Motor
  • das Gyroskop
  • der Arduino

Potentiometer

Motor

Gyroskop

Arduino

Ergebnis

Zusammenfassung

Lessons Learned

Projektunterlagen

Projektplan

Projektdurchführung

YouTube Video

Weblinks

Literatur


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