Projekt 38: Regelung eines instabilen Systems - Versionsgeschichte

Michael Bock: /* Weblinks */

2018-01-22T23:50:25Z

Weblinks

← Nächstältere Version		Version vom 23. Januar 2018, 01:50 Uhr
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	== Weblinks ==		== Weblinks ==
			*[http://bicycle.tudelft.nl/schwab/Bicycle/ Bicycle Dynamics]
			*[https://de.wikipedia.org/wiki/Fahrphysik_(Fahrrad) Fahrphysik (Fahrrad)Wikipedia]

	*[https://de.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/27694-nxtbike-gs--self-balancing-bike-robot-by-steer-into-fall- NXTbike-GS]		*[https://de.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/27694-nxtbike-gs--self-balancing-bike-robot-by-steer-into-fall- NXTbike-GS]

Madlen Bartnick: /* Projekt */

2018-01-22T23:48:13Z

Projekt

← Nächstältere Version		Version vom 23. Januar 2018, 01:48 Uhr
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	[[Datei:Projektplaner Regelung eines instabilen Systems.png\|zentriert\|800px\|left\|Michael Bock]]		[[Datei:Projektplaner Regelung eines instabilen Systems.png\|zentriert\|800px\|left\|Michael Bock]]




	=== Konstruktionsphase ===		=== Konstruktionsphase ===

Madlen Bartnick: /* Projekt */

2018-01-22T23:47:53Z

Projekt

← Nächstältere Version		Version vom 23. Januar 2018, 01:47 Uhr
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	[[Datei:Simulink Motorrad.jpeg\|mini\|Oberfläche der Regelung in Matlab/Simulink ]]		[[Datei:Simulink Motorrad.jpeg\|mini\|Oberfläche der Regelung in Matlab/Simulink ]]
	Zu Beginn der Programmierphase wurden Informationen für die Realisierung der Regelung eingeholt. Auf dessen Grundlage wurde die Verwendung eines PID Reglers ausgewählt, da dieser die Vorteile aller enthaltenen Regler kombiniert. Im Anschluss wurde mit der Umsetzung der Regelung durch Matlab / Simulink begonnen. Als Eingangsgrößen wurden die aktuelle Gierrate und der aktuelle Lenkwinkel über Sensoren erfasst und daraus resultierend eine Änderung des Lenkwinkels als Stellgröße ausgegeben. Die Geschwindigkeit und die Dauer der Ansteuerung der beiden Antriebsmotoren können über die Wahl von Konstanten festgelegt werden. Durch die Aufnahme und Auswertung von Messdaten konnte das System nun hinsichtlich der Gewichtung der P I und D Anteile der Regelung angepasst werden. Über eine Reihe von Tests wurde die optimale Geschwindigkeit der Antriebsmotoren ermittelt. Bis zu einem gewissen Grad hat sich die Stabilität des Systems durch Verwenden einer höheren Geschwindigkeit verbessert. Bei zu hoher Geschwindigkeit war das System nicht mehr fähig die Daten in Echtzeit in die Regelung mit einfließen zu lassen und es haben sich wieder Verschlechterungen im Regelungsergebnis gezeigt.		Zu Beginn der Programmierphase wurden Informationen für die Realisierung der Regelung eingeholt. Auf dessen Grundlage wurde die Verwendung eines PID Reglers ausgewählt, da dieser die Vorteile aller enthaltenen Regler kombiniert. Im Anschluss wurde mit der Umsetzung der Regelung durch Matlab / Simulink begonnen. Als Eingangsgrößen wurden die aktuelle Gierrate und der aktuelle Lenkwinkel über Sensoren erfasst und daraus resultierend eine Änderung des Lenkwinkels als Stellgröße ausgegeben. Die Geschwindigkeit und die Dauer der Ansteuerung der beiden Antriebsmotoren können über die Wahl von Konstanten festgelegt werden. Durch die Aufnahme und Auswertung von Messdaten konnte das System nun hinsichtlich der Gewichtung der P I und D Anteile der Regelung angepasst werden. Über eine Reihe von Tests wurde die optimale Geschwindigkeit der Antriebsmotoren ermittelt. Bis zu einem gewissen Grad hat sich die Stabilität des Systems durch Verwenden einer höheren Geschwindigkeit verbessert. Bei zu hoher Geschwindigkeit war das System nicht mehr fähig die Daten in Echtzeit in die Regelung mit einfließen zu lassen und es haben sich wieder Verschlechterungen im Regelungsergebnis gezeigt.




	=== Fazit ===		=== Fazit ===

Madlen Bartnick: /* Programmierphase */

2018-01-22T23:46:47Z

Programmierphase

← Nächstältere Version		Version vom 23. Januar 2018, 01:46 Uhr
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	[[Datei:Simulink Motorrad.jpeg\|mini\|Oberfläche der Regelung in Matlab/Simulink ]]		[[Datei:Simulink Motorrad.jpeg\|mini\|Oberfläche der Regelung in Matlab/Simulink ]]
	~~Nachdem das Motorrad gebaut wurde, stand nun die Programmierung auf dem Plan. Zuerst~~ wurden Informationen ~~eingeholt, um eine Planung~~ für die Regelung ~~aufzustellen~~. ~~Eingehende Paramater wie~~ die ~~Daten des Gyrosensors und Lenkwinkels wurden bestimmt~~. Im Anschluss ~~daran~~ wurde ~~überlegt, welche Signale~~ ausgegeben ~~werden müssen, um das System zu regeln~~. Die beiden Antriebsmotoren~~, sowie der Motor für~~ die ~~Lenkung wurden als Outputs identifiziert~~. ~~Zeitgleich mussten~~ die ~~verschiedenen~~ Messdaten ~~ausgewertet~~ werden~~, um~~ die ~~nächsten Schritte voraus~~ zu ~~planen~~. ~~Die Gierrate ließ dabei Rückschlüsse auf die Neigung der Längsachse~~ ~~und~~ die ~~Lenkwinkeländerung auf den Lenkwinkel schließen.~~		Zu Beginn der Programmierphase wurden Informationen für die Realisierung der Regelung eingeholt. Auf dessen Grundlage wurde die Verwendung eines PID Reglers ausgewählt, da dieser die Vorteile aller enthaltenen Regler kombiniert. Im Anschluss wurde mit der Umsetzung der Regelung durch Matlab / Simulink begonnen. Als Eingangsgrößen wurden die aktuelle Gierrate und der aktuelle Lenkwinkel über Sensoren erfasst und daraus resultierend eine Änderung des Lenkwinkels als Stellgröße ausgegeben. Die Geschwindigkeit und die Dauer der Ansteuerung der beiden Antriebsmotoren können über die Wahl von Konstanten festgelegt werden. Durch die Aufnahme und Auswertung von Messdaten konnte das System nun hinsichtlich der Gewichtung der P I und D Anteile der Regelung angepasst werden. Über eine Reihe von Tests wurde die optimale Geschwindigkeit der Antriebsmotoren ermittelt. Bis zu einem gewissen Grad hat sich die Stabilität des Systems durch Verwenden einer höheren Geschwindigkeit verbessert. Bei zu hoher Geschwindigkeit war das System nicht mehr fähig die Daten in Echtzeit in die Regelung mit einfließen zu lassen und es haben sich wieder Verschlechterungen im Regelungsergebnis gezeigt.

	~~Im Anschluss daran wurde begonnen~~ die Regelung mit ~~Matlab / Simulink~~ zu ~~realisieren~~.




	=== Fazit ===		=== Fazit ===

Madlen Bartnick: /* Projektunterlagen */

2018-01-22T22:59:46Z

Projektunterlagen

← Nächstältere Version		Version vom 23. Januar 2018, 00:59 Uhr
Zeile 115:		Zeile 115:

	== Projektunterlagen ==		== Projektunterlagen ==

			Die gesamten Projektunterlagen sind unter dem Ordner 38_Regelung_instabiles_System in SVN zu finden. Bei Bedarf können die Dokumente auch bei den Autoren dieses Artikels angefragt werden.

	== YouTube Video ==		== YouTube Video ==

Madlen Bartnick: /* Planung des Projekts */

2018-01-22T22:51:51Z

Planung des Projekts

← Nächstältere Version		Version vom 23. Januar 2018, 00:51 Uhr
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	=== Planung des Projekts ===		=== Planung des Projekts ===

	Um das Projekt erfolgreich durchführen zu können, wurde dieses im ersten Schritt geplant. Dazu wurde das Projekt in grob in vier Phasen unterteilt. Die Anfangsphase beinhaltet dabei das Erstellen eines Zeitplans des Projekts, die Installation und Einarbeitung in die benötigten Programme sowie das Einholen von Informationen. Nach Abschluss der Anfangsphase folgt die Konstruktionsphase, in der das Motorrad als instabiles System aus dem LEGO MINDSTORMS EV3 Baukasten konstruiert werden soll. Dabei gilt es die Konstruktion durch das Erstellen einer Bauanleitung und verschiedenen CAD Modellen zu dokumentieren. Abschließend soll die Konstruktionsphase durch Funktionstests und Problemanalysen bewertet werden und bei zufriedenstellenden Ergebnissen in die Programmierungsphase übergegangen werden. Der erste Schritt der Programmierungsphase soll dabei der Entwurf eines Reglerkonzepts sein, dass anschließend in Simulink implementiert werden soll. Anschließend soll die Regelung getestet und durch Anpassungen optimiert werden. Die Auswertung und Problemanalyse schließt die Programmierungsphase ab und es kann mit der Endphase des Projekts begonnen werden. Diese dient dazu, die Dokumentation des Projekts fertigzustellen und die Präsentation auf der Messe vorzubereiten.		Um das Projekt erfolgreich durchführen zu können, wurde dieses im ersten Schritt geplant. Dazu wurde das Projekt grob in vier Phasen unterteilt. Die Anfangsphase beinhaltet dabei das Erstellen eines Zeitplans des Projekts, die Installation und Einarbeitung in die benötigten Programme, sowie das Einholen von Informationen. Nach Abschluss der Anfangsphase folgt die Konstruktionsphase, in der das Motorrad als instabiles System aus dem LEGO MINDSTORMS EV3 Baukasten konstruiert werden soll. Dabei gilt es die Konstruktion durch das Erstellen einer Bauanleitung und verschiedenen CAD Modellen zu dokumentieren. Abschließend soll die Konstruktionsphase durch Funktionstests und Problemanalysen bewertet werden und bei zufriedenstellenden Ergebnissen in die Programmierungsphase übergegangen werden. Der erste Schritt der Programmierungsphase soll dabei der Entwurf eines Reglerkonzepts sein, dass anschließend in Simulink implementiert werden soll. Anschließend soll die Regelung getestet und durch Anpassungen optimiert werden. Die Auswertung und Problemanalyse schließt die Programmierungsphase ab und es kann mit der Endphase des Projekts begonnen werden. Diese dient dazu, die Dokumentation des Projekts fertigzustellen und die Präsentation auf der Messe vorzubereiten.


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	[[Datei:Projektplaner Regelung eines instabilen Systems.png\|zentriert\|800px\|left\|Michael Bock]]		[[Datei:Projektplaner Regelung eines instabilen Systems.png\|zentriert\|800px\|left\|Michael Bock]]




	=== Konstruktionsphase ===		=== Konstruktionsphase ===

Madlen Bartnick: /* Projekt */

2018-01-22T22:51:02Z

Projekt

← Nächstältere Version		Version vom 23. Januar 2018, 00:51 Uhr
Zeile 81:		Zeile 81:

	=== Fazit ===		=== Fazit ===

	Die Durchführung des Projekts lief in der Anfangsphase und der Konstruktionsphase sehr gut, sodass schnell Ergebnisse erzielt werden konnten. Auch die geplanten Zeiträume für die Arbeitspakete haben dort sehr gut gepasst. In der Programmierphase kam es leider zu mehr Schwierigkeiten als anfangs erwartet und somit konnten die Anpassungen und das Feintuning nicht vollständig abgeschlossen werden. Trotzdem fuhr das Motorrad sehr gut und hat sich mit Hilfe des entwickelten Programms selbstständig geregelt.		Die Durchführung des Projekts lief in der Anfangsphase und der Konstruktionsphase sehr gut, sodass schnell Ergebnisse erzielt werden konnten. Auch die geplanten Zeiträume für die Arbeitspakete haben dort sehr gut gepasst. In der Programmierphase kam es leider zu mehr Schwierigkeiten als anfangs erwartet und somit konnten die Anpassungen und das Feintuning nicht vollständig abgeschlossen werden. Trotzdem fuhr das Motorrad sehr gut und hat sich mit Hilfe des entwickelten Programms selbstständig geregelt.

Madlen Bartnick: /* Projekt */

2018-01-22T22:50:01Z

Projekt

← Nächstältere Version		Version vom 23. Januar 2018, 00:50 Uhr
Zeile 55:		Zeile 55:

	[[Datei:Projektplaner Regelung eines instabilen Systems.png\|zentriert\|800px\|left\|Michael Bock]]		[[Datei:Projektplaner Regelung eines instabilen Systems.png\|zentriert\|800px\|left\|Michael Bock]]




	=== Konstruktionsphase ===		=== Konstruktionsphase ===
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	So kam es dazu, dass die Lenkung während des Projektes mehrmals umgebaut und verbessert wurde. Ebenfalls vergrößerte sich der Radabstand von Modell zu Modell, um den Schwerpunkt des Systems möglichst bodennah und mittig zwischen die beiden Reifen zu bekommen. Durch die Konstruktion mit dem EV3-Block mittig zwischen den Reifen des Motorrads und dem Gyroskop Sensor mittig unter dem EV3-Block, konnte ein stabiles System mit einer gleichmäßigen Verteilung der Masse auf beide Reifen, symmetrisch zur Neigungsachse erzeugt werden.		So kam es dazu, dass die Lenkung während des Projektes mehrmals umgebaut und verbessert wurde. Ebenfalls vergrößerte sich der Radabstand von Modell zu Modell, um den Schwerpunkt des Systems möglichst bodennah und mittig zwischen die beiden Reifen zu bekommen. Durch die Konstruktion mit dem EV3-Block mittig zwischen den Reifen des Motorrads und dem Gyroskop Sensor mittig unter dem EV3-Block, konnte ein stabiles System mit einer gleichmäßigen Verteilung der Masse auf beide Reifen, symmetrisch zur Neigungsachse erzeugt werden.




	=== Programmierphase ===		=== Programmierphase ===

Madlen Bartnick: /* Konstruktionsphase */

2018-01-22T22:48:26Z

Konstruktionsphase

← Nächstältere Version		Version vom 23. Januar 2018, 00:48 Uhr
Zeile 62:		Zeile 62:
	Dabei war die erste Überlegung, das Motorrad so zu konstruieren, dass es symmetrisch zur Neigungsachse ist. Dadurch ist gewährleistet, dass das Motorrad keine Schlagseite aufweist. Darüber hinaus sollte der Schwerpunkt des Systems möglichst niedrig liegen, um dadurch einen möglichst großen Winkel der Neigungsachse zu ermöglichen, ohne dass das System umkippt. Desweiteren musste berücksichtigt werden, dass das Gyroskop auf der Neigungsachse verbaut wird, um so die richtigen Messdaten zu empfangen. Die Lenkung bedurfte ebenfalls besondere Aufmerksamkeit, da diese schnell und präzise reagieren muss.		Dabei war die erste Überlegung, das Motorrad so zu konstruieren, dass es symmetrisch zur Neigungsachse ist. Dadurch ist gewährleistet, dass das Motorrad keine Schlagseite aufweist. Darüber hinaus sollte der Schwerpunkt des Systems möglichst niedrig liegen, um dadurch einen möglichst großen Winkel der Neigungsachse zu ermöglichen, ohne dass das System umkippt. Desweiteren musste berücksichtigt werden, dass das Gyroskop auf der Neigungsachse verbaut wird, um so die richtigen Messdaten zu empfangen. Die Lenkung bedurfte ebenfalls besondere Aufmerksamkeit, da diese schnell und präzise reagieren muss.

			So kam es dazu, dass die Lenkung während des Projektes mehrmals umgebaut und verbessert wurde. Ebenfalls vergrößerte sich der Radabstand von Modell zu Modell, um den Schwerpunkt des Systems möglichst bodennah und mittig zwischen die beiden Reifen zu bekommen. Durch die Konstruktion mit dem EV3-Block mittig zwischen den Reifen des Motorrads und dem Gyroskop Sensor mittig unter dem EV3-Block, konnte ein stabiles System mit einer gleichmäßigen Verteilung der Masse auf beide Reifen, symmetrisch zur Neigungsachse erzeugt werden.
	So kam es dazu, dass die Lenkung während des Projektes mehrmals umgebaut und verbessert wurde. Ebenfalls ~~variierte~~ der Radabstand ~~bei~~ den ~~verschiedenen Modellen. Ein kurzer Abstand bei einem der ersten Modelle führte dazu, dass das Motorrad nach hinten wegkippte als es losfuhr. Verantwortlich dafür war ebenfalls der noch zu hohe~~ Schwerpunkt des Systems. ~~Daraufhin wurde der Radabstand vergrößert und dann der Schwerpunkt abgesenkt, indem der~~ EV3-Block ~~tiefer gesetzt wurde, was für ein stabileres System sorgte. Auch das~~ Gyroskop ~~wurde~~ unter ~~den~~ EV3-Block ~~gesetzt~~, ~~damit~~ der ~~Schwerpunkt weiter herab gesetzt wurde und der Sensor stabil befestigt~~ werden ~~konnte~~.

	=== Programmierphase ===		=== Programmierphase ===

Madlen Bartnick: /* Planung des Projekts */

2018-01-22T22:28:34Z

Planung des Projekts

← Nächstältere Version		Version vom 23. Januar 2018, 00:28 Uhr
Zeile 46:		Zeile 46:

	=== Planung des Projekts ===		=== Planung des Projekts ===
	~~Die erste Aufgabe im Praktikum war es ein Projektplan~~ zu ~~erstellen~~, ~~um den Umfang zu ermitteln~~. Die ~~zeitliche Darstellung ist~~ dabei in ~~Kalenderwochen beschrieben~~. ~~Wie aus~~ der ~~Grafik ersichtlich ist~~, ~~hat~~ die Programmierungsphase dabei ~~mehr Zeit~~ in ~~Anspruch genommen~~, ~~als ursprünglich geplant~~.
			Um das Projekt erfolgreich durchführen zu können, wurde dieses im ersten Schritt geplant. Dazu wurde das Projekt in grob in vier Phasen unterteilt. Die Anfangsphase beinhaltet dabei das Erstellen eines Zeitplans des Projekts, die Installation und Einarbeitung in die benötigten Programme sowie das Einholen von Informationen. Nach Abschluss der Anfangsphase folgt die Konstruktionsphase, in der das Motorrad als instabiles System aus dem LEGO MINDSTORMS EV3 Baukasten konstruiert werden soll. Dabei gilt es die Konstruktion durch das Erstellen einer Bauanleitung und verschiedenen CAD Modellen zu dokumentieren. Abschließend soll die Konstruktionsphase durch Funktionstests und Problemanalysen bewertet werden und bei zufriedenstellenden Ergebnissen in die Programmierungsphase übergegangen werden. Der erste Schritt der Programmierungsphase soll dabei der Entwurf eines Reglerkonzepts sein, dass anschließend in Simulink implementiert werden soll. Anschließend soll die Regelung getestet und durch Anpassungen optimiert werden. Die Auswertung und Problemanalyse schließt die Programmierungsphase ab und es kann mit der Endphase des Projekts begonnen werden. Diese dient dazu, die Dokumentation des Projekts fertigzustellen und die Präsentation auf der Messe vorzubereiten.


			Der nachfolgende Projektplan gibt eine Übersicht der in den vier Phasen zu erledigenden Aufgabenpakete des Projekts so wie deren geschätzte Dauer.



	[[Datei:Projektplaner Regelung eines instabilen Systems.png\|zentriert\|800px\|left\|Michael Bock]]		[[Datei:Projektplaner Regelung eines instabilen Systems.png\|zentriert\|800px\|left\|Michael Bock]]


	=== Konstruktionsphase ===		=== Konstruktionsphase ===