ArduMower: Regler: Unterschied zwischen den Versionen
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= Einleitung = | = Einleitung = | ||
Dieser Artikel beschreibt die Implementierung des Reglers eines Mähroboters. Ziel ist es eine Regelung der Radgeschwindigkeiten zu erreichen, sodass der Mähroboter die von der Strategie errechneten Wege trotz Störeinflüssen befahren kann. | Dieser Artikel beschreibt die Implementierung des Reglers eines Mähroboters. Ziel ist es, eine Regelung der Radgeschwindigkeiten zu erreichen, sodass der Mähroboter die von der Strategie errechneten Wege trotz Störeinflüssen befahren kann. | ||
= Anforderungen = | = Anforderungen = | ||
Sowohl im Lasten als auch im Pflichtenheft finden sich keine direkten Anforderungen an eine Regelung der Fahrt des Mähroboters. Sie ist jedoch | Sowohl im Lasten-, als auch im Pflichtenheft finden sich keine direkten Anforderungen an eine Regelung der Fahrt des Mähroboters. Sie ist jedoch essentiell wichtig, um beispielsweise die Fahrt zur Ladestation, das Umsetzen einer Mähstrategie, das vollständige Mähen der Fläche, und die Anforderung an die Verarbeitungszeit zu erfüllen | ||
Um eine Umsetzung des Reglers zu spezifizieren wurden folgende Anforderungen an die Karte gestellt | Um eine Umsetzung des Reglers zu spezifizieren, wurden folgende Anforderungen an die Karte gestellt: | ||
{| class="mw-datatable" | {| class="mw-datatable" | ||
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| Der Regler hat folgende Ausgangsgrößen. | | Der Regler hat folgende Ausgangsgrößen. | ||
# PWM Geschwindigkeit | # PWM Geschwindigkeit des linken Motors: PWM Motor Links | ||
# PWM Geschwindigkeit des rechten Motors: PWM Motor Rechts | # PWM Geschwindigkeit des rechten Motors: PWM Motor Rechts | ||
| [[Benutzer:Marcel_Kreuer| Marcel Kreuer]] | | [[Benutzer:Marcel_Kreuer| Marcel Kreuer]] | ||
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| Der Roboter muss aus Entfernungen von bis zu 1,5 Metern zum | | Der Roboter muss aus Entfernungen von bis zu 1,5 Metern zum Sollkurs, zurück zum Sollkurs finden. | ||
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| Der Roboter muss aus einer Entfernung von 1 Meter, binnen 3 Metern zurück auf dem | | Der Roboter muss aus einer Entfernung von 1 Meter, binnen 3 Metern zurück auf dem Sollkurs sein. | ||
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Bei der Größe des zu erstellenden Modells werden die Schritte Funktionaler Systementwurf / Technischer Systementwurf des V-Modells zusammen gelegt und bereits Schnittstellen zwischen den einzelnen Blöcken definiert. | Bei der Größe des zu erstellenden Modells werden die Schritte Funktionaler Systementwurf / Technischer Systementwurf des V-Modells zusammen gelegt und bereits Schnittstellen zwischen den einzelnen Blöcken definiert. | ||
Aufgrund der geringen Komplexität des Reglers wird dieser in einem Block implementiert. | |||
= | = Komponentenspezifikation = | ||
Das Modell des Reglers wird als Komponente aufgefasst, d.h. in einem Block ''' Regler ''' dem späteren Hauptprogramm zur Verfügung gestellt. | Das Modell des Reglers wird als Komponente aufgefasst, d.h. in einem Block ''' Regler ''' dem späteren Hauptprogramm zur Verfügung gestellt. | ||
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Dabei wird wie folgt vorgegangen. | Dabei wird wie folgt vorgegangen. | ||
Zunächst wird aus dem Abstand zum Soll-Kurs und dem Soll_Abstand eine Abweichung berechnet. Diese wird mit einem Multiplikationsfaktor(P-Anteil) verrechnet Parallel wird die Abweichung auch an einem Integrator (I-Anteil) und an einen Differentiator mit vorgeschaltetem Filter verrechnet. Die drei Anteile bilden addiert die Stellgröße. Von der | Zunächst wird aus dem Abstand zum Soll-Kurs und dem Soll_Abstand eine Abweichung berechnet. Diese wird mit einem Multiplikationsfaktor(P-Anteil) verrechnet. Parallel wird die Abweichung auch an einem Integrator (I-Anteil) und an einen Differentiator mit vorgeschaltetem Filter verrechnet. Die drei Anteile bilden addiert die Stellgröße. Von der mittleren Geschwindigkeit der Räder wird die Steilgröße einmal abgezogen und einmal addiert, sodass sich unterschiedliche Werte für das linke und rechte Rad ergeben. Diese Werte werden auf 255 begrenzt. | ||
= Programmierung = | = Programmierung = | ||
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[[Datei:Abstands_Regler.png|small|1000px]] | [[Datei:Abstands_Regler.png|small|1000px]] | ||
Dabei | Dabei werden neben der Verrechnung der Eingänge, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, auch Diagnose-Ausgänge implementiert. Diese Diagnose-Ausgänge ermöglichen dabei, die einzelnen Signale über die WLAN- Schnittstelle zu übertragen. | ||
Die | Die Hauptarbeitspensum lag jedoch nicht in der Implementierung des Reglers, sondern in der Auslegung dessen. Die Auslegung unterteilt sich dabei in folgende Punkte: | ||
=== Bestimmung | === Bestimmung des System-Verhaltens === | ||
[[Datei:P20D50.png |rechts|mini|350px|Regler Simulation mit P=20 und D=50]] | [[Datei:P20D50.png |rechts|mini|350px|Regler Simulation mit P=20 und D=50]] | ||
Der Rasenmähroboter wurde mithilfe einer Sprungantwort auf die Antriebsräder auf sein Systemverhalten untersucht. Dabei fiel auf, | Der Rasenmähroboter wurde mithilfe einer Sprungantwort auf die Antriebsräder auf sein Systemverhalten hin untersucht. Dabei fiel auf, dass der Roboter seine Fahrt mit konstantem Radius fortsetzte. Diese Verhalten wurde als I<sup>2</sup>-Verhalten klassifiziert. | ||
=== Auswahl des Reglers === | === Auswahl des Reglers === | ||
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=== Auslegung der Regelparameter === | === Auslegung der Regelparameter === | ||
Die Auslegung der Regelparameter erfolgte in zwei Schritten. Zunächst wurde das Fahrzeugmodell von [[Benutzer:Mirekgoebel| Prof. Dr.-Ing. Göbel]] benutzt um eine Offline Auslegung des Reglers zu implementieren. | Die Auslegung der Regelparameter erfolgte in zwei Schritten. Zunächst wurde das Fahrzeugmodell von [[Benutzer:Mirekgoebel| Prof. Dr.-Ing. Göbel]] benutzt, um eine Offline-Auslegung des Reglers zu implementieren. Dies spart viel Zeit gegenüber der Auslegung des Reglers am Ardumower. | ||
Danach wurde versucht die ermittelten Werte auf dem Ardumower zu verifizieren. Leider gelang dies nicht, | Danach wurde versucht, die ermittelten Werte auf dem Ardumower zu verifizieren. Leider gelang dies nicht, sodass erneut eine komplette Regler-Auslegung manuell gestartet werden musste. | ||
Ziel der Auslegung war es der Perimeterschleife zu folgen, und in die enge Ladestation hinein zu fahren. | Ziel der Auslegung war es ,der Perimeterschleife zu folgen, und in die enge Ladestation hinein zu fahren. | ||
=== Demonstration === | === Demonstration === | ||
Eine Demonstration des Reglers inklusive | Eine Demonstration des Reglers inklusive Einparken ,ist unter folgendem Link zu finden | ||
https://youtu.be/NFWLRe9fYF8 | [https://youtu.be/NFWLRe9fYF8/ Youtube] | ||
= Komponententest = | = Komponententest = | ||
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| Kompilierung in Simulink | |||
| 0.5, 120, 0 | |||
| Der Regler lässt sich in Simulink kompilieren | |||
| OK | |||
| [[Benutzer:Marcel_Kreuer| Marcel Kreuer]] | |||
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| Integration in Hauptprojekt | |||
| 0.5, 120, 0 | |||
| Es kommt zu keiner signifikanten Laufzeitbeeinflussung | |||
| OK | |||
| [[Benutzer:Marcel_Kreuer| Marcel Kreuer]] | |||
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| Eingangsgrößen | |||
| 0.5, 120, 0 | |||
| Der Regler verarbeitet ohne Fehler die gesetzten Eingangsgrößen | |||
| OK | |||
| [[Benutzer:Marcel_Kreuer| Marcel Kreuer]] | |||
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| Ausgangsgrößen | |||
| 0.5, 120, 0 | |||
| Der Regler liefert an beiden Ausgängen einen Wert im PWM-Bereich | |||
| OK | |||
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| Der Mäher fährt mit 0,5 m Abstand zum Sollkurs. | | Der Mäher fährt mit 0,5 m Abstand zum Sollkurs. | ||
| 0.5, 120, 0 | | 0.5, 120, 0 | ||
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| 24.01.2018 | | 24.01.2018 | ||
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| Der Mäher fährt mit 1 m Abstand zum Sollkurs. | | Der Mäher fährt mit 1 m Abstand zum Sollkurs. | ||
| 1.0, 120, 0 | | 1.0, 120, 0 | ||
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| 24.01.2018 | | 24.01.2018 | ||
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| | | 7 | ||
| Der Mäher fährt mit 1,5 m Abstand zum Sollkurs. | | Der Mäher fährt mit 1,5 m Abstand zum Sollkurs. | ||
| 1.5, 120, 0 | | 1.5, 120, 0 | ||
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| 24.01.2018 | | 24.01.2018 | ||
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| | | 8 | ||
| Der Mäher fährt mit 3 m Abstand zum Sollkurs. | | Der Mäher fährt mit 3 m Abstand zum Sollkurs. | ||
| 3.0, 120, 0 | | 3.0, 120, 0 | ||
| Der Wert an den PWM Ausgängen überschreitet den Schwellwert von 255 nicht. | | Der Wert an den PWM-Ausgängen überschreitet den Schwellwert von 255 nicht. | ||
| OK | | OK | ||
| [[Benutzer:Marcel_Kreuer| Marcel Kreuer]] | | [[Benutzer:Marcel_Kreuer| Marcel Kreuer]] | ||
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| Der Mäher | | Der Mäher wird während der Fahrt um 90 Grad gedreht. | ||
| 0, 120, 0 | | 0, 120, 0 | ||
| Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs. | | Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs. | ||
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| 24.01.2018 | | 24.01.2018 | ||
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| | | 10 | ||
| Der Mäher | | Der Mäher wird über 60 Sekunden simuliert | ||
| 0, 120, 0 | | 0, 120, 0 | ||
| Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs. Simulation der Ergebnisse in unter 2 Sekunden. | | Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs. Simulation der Ergebnisse in unter 2 Sekunden. | ||
| OK | | OK | ||
| [[Benutzer:Marcel_Kreuer| Marcel Kreuer]] | |||
| 24.01.2018 | |||
|- | |||
| 11 | |||
| Es wurde sich an die Programmierrichtlinien gehalten | |||
| - | |||
| Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs. Simulation der Ergebnisse in unter 2 Sekunden. | |||
| nicht OK | |||
| [[Benutzer:Marcel_Kreuer| Marcel Kreuer]] | | [[Benutzer:Marcel_Kreuer| Marcel Kreuer]] | ||
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= Zusammenfassung = | = Zusammenfassung = | ||
Im Zuge des Projektes Ardumower wurde ein Regler implementiert, mit dem es | Im Zuge des Projektes Ardumower wurde ein Regler implementiert, mit dem es möglich ist, der Perimeterschleife zu folgen, in die Garage einzuparken und der sämtliche Anforderungen erfüllt. | ||
Neben der Reglerauslegung selbst, wurde das Hauptframework so verändert, dass auch ohne funktionierende Mähstrategie, ein Testen der Regelparameter möglich war. So konnten Regelparameter gefunden werden, mit denen es möglich war, der Perimeterschleife zu folgen und schließlich in der Garage einzuparken. Wie im [https://youtu.be/NFWLRe9fYF8/ Video] zu sehen ist, gibt es noch Verbessungspotential in der Regelung des Roboters. Hierfür ist auch der Perimeterschleifensensor verantwortlich, der nur sehr stark springende, verrauschte Abstände zur Perimeterschleife lieferte. Dies war im Bereich an und über der Schleife selbst besonders stark, so dass für die Fahrt an der Perimeterschleife ein Abstand von 0,25 m gewählt wurde. Hier liefert der Sensor weniger validere Werte. | |||
= Ansatzpunkte für die Fortführung des Ardumower Projektes = | = Ansatzpunkte für die Fortführung des Ardumower Projektes = | ||
Für weitere Semester kann die Einstellung des Reglers sicherlich verfeinert werden um dem | Für weitere Semester kann die Einstellung des Reglers sicherlich verfeinert werden, um dem Sollkurs besser folgen zu können. Durch die Strategie kann noch eine Windup-Erkennung implementiert werden, welche verhindert, dass bei zu großem Abstand zum Sollkurs, sich der Roboter im Kreis dreht. | ||
Insbesondere bedarf es einer Anpassung von Variablenamen und Farben gemäß der Programmierrichtlinien. | |||
= Link zum Quelltext in SVN = | = Link zum Quelltext in SVN = | ||
Aktuelle Version vom 28. Februar 2018, 22:36 Uhr
Dieser Wiki-Beitrag ist Teil eines Projektes, welches im Rahmen vom Fachpraktikum Elektrotechnik im 6. Semester und 7. Mechatronik absolviert wurde. Ziel des Beitrags ist es, eine nachhaltige Dokumentation zu schaffen, welche die Ergebnisse festhält und das weitere Arbeiten am Projekt ermöglicht.
Autoren: Marcel Kreuer
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Schneider, Prof. Dr.-Ing. Mirek Göbel
Projekt: Ardumower
Einleitung
Dieser Artikel beschreibt die Implementierung des Reglers eines Mähroboters. Ziel ist es, eine Regelung der Radgeschwindigkeiten zu erreichen, sodass der Mähroboter die von der Strategie errechneten Wege trotz Störeinflüssen befahren kann.
Anforderungen
Sowohl im Lasten-, als auch im Pflichtenheft finden sich keine direkten Anforderungen an eine Regelung der Fahrt des Mähroboters. Sie ist jedoch essentiell wichtig, um beispielsweise die Fahrt zur Ladestation, das Umsetzen einer Mähstrategie, das vollständige Mähen der Fläche, und die Anforderung an die Verarbeitungszeit zu erfüllen
Um eine Umsetzung des Reglers zu spezifizieren, wurden folgende Anforderungen an die Karte gestellt:
| ID | Inhalt | Ersteller | Datum | Geprüft von | Datum |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Der Regler hat folgende Eingangsgrößen.
|
Marcel Kreuer | 05.10.2017 | Simon Kohfeld | 05.10.2017 |
| 2 | Der Regler hat folgende Ausgangsgrößen.
|
Marcel Kreuer | 05.10.2017 | Simon Kohfeld | 05.10.2017 |
| 3 | Der Roboter muss aus Entfernungen von bis zu 1,5 Metern zum Sollkurs, zurück zum Sollkurs finden. | Marcel Kreuer | 05.10.2017 | Simon Kohfeld | 05.10.2017 |
| 4 | Der Roboter muss aus einer Entfernung von 1 Meter, binnen 3 Metern zurück auf dem Sollkurs sein. | Marcel Kreuer | 05.10.2017 | Simon Kohfeld | 05.10.2017 |
| 5 | Der Roboter darf bei der Regelung im vorgeschriebenen Funktionsbereich nicht mehr als 30 cm überschwingen. | Marcel Kreuer | 05.10.2017 | Simon Kohfeld | 05.10.2017 |
| 6 | Der Regler muss zyklisch aktualisiert werden. | Marcel Kreuer | 05.10.2017 | Simon Kohfeld | 05.10.2017 |
| 7 | Die Umsetzung muss als Simulink-Modell erfolgen. | Marcel Kreuer | 05.10.2017 | Simon Kohfeld | 05.10.2017 |
| 8 | Die Implementierung muss nach dem Prinzip eines PID-Reglers geschehen. | Marcel Kreuer | 05.10.2017 | Simon Kohfeld | 05.10.2017 |
| 9 | Die Ausgangsgrößen dürfen einen Wert von 255 zu keiner Zeit überschreiten. | Marcel Kreuer | 05.10.2017 | Simon Kohfeld | 05.10.2017 |
| 10 | Die Implementierung muss ohne Beeinträchtigung der Laufzeit erfolgen. | Marcel Kreuer | 05.10.2017 | Simon Kohfeld | 05.10.2017 |
| 11 | Bei Kommentierung und Dokumentation muss sich an die Projektrichtlinien gehalten werden. | Marcel Kreuer | 05.10.2017 | Simon Kohfeld | 05.10.2017 |
Funktionaler-/Technischer Systementwurf
Bei der Größe des zu erstellenden Modells werden die Schritte Funktionaler Systementwurf / Technischer Systementwurf des V-Modells zusammen gelegt und bereits Schnittstellen zwischen den einzelnen Blöcken definiert.
Aufgrund der geringen Komplexität des Reglers wird dieser in einem Block implementiert.
Komponentenspezifikation
Das Modell des Reglers wird als Komponente aufgefasst, d.h. in einem Block Regler dem späteren Hauptprogramm zur Verfügung gestellt.
Dabei wird wie folgt vorgegangen.
Zunächst wird aus dem Abstand zum Soll-Kurs und dem Soll_Abstand eine Abweichung berechnet. Diese wird mit einem Multiplikationsfaktor(P-Anteil) verrechnet. Parallel wird die Abweichung auch an einem Integrator (I-Anteil) und an einen Differentiator mit vorgeschaltetem Filter verrechnet. Die drei Anteile bilden addiert die Stellgröße. Von der mittleren Geschwindigkeit der Räder wird die Steilgröße einmal abgezogen und einmal addiert, sodass sich unterschiedliche Werte für das linke und rechte Rad ergeben. Diese Werte werden auf 255 begrenzt.
Programmierung
In diesem Abschnitt wird die Implementierung des Reglers in Simulink gezeigt.
Dabei werden neben der Verrechnung der Eingänge, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, auch Diagnose-Ausgänge implementiert. Diese Diagnose-Ausgänge ermöglichen dabei, die einzelnen Signale über die WLAN- Schnittstelle zu übertragen.
Die Hauptarbeitspensum lag jedoch nicht in der Implementierung des Reglers, sondern in der Auslegung dessen. Die Auslegung unterteilt sich dabei in folgende Punkte:
Bestimmung des System-Verhaltens
Der Rasenmähroboter wurde mithilfe einer Sprungantwort auf die Antriebsräder auf sein Systemverhalten hin untersucht. Dabei fiel auf, dass der Roboter seine Fahrt mit konstantem Radius fortsetzte. Diese Verhalten wurde als I2-Verhalten klassifiziert.
Auswahl des Reglers
Zur Regelung des beobachteten Systemverhaltens wurde ein PD-Regler ausgewählt.
Auslegung der Regelparameter
Die Auslegung der Regelparameter erfolgte in zwei Schritten. Zunächst wurde das Fahrzeugmodell von Prof. Dr.-Ing. Göbel benutzt, um eine Offline-Auslegung des Reglers zu implementieren. Dies spart viel Zeit gegenüber der Auslegung des Reglers am Ardumower.
Danach wurde versucht, die ermittelten Werte auf dem Ardumower zu verifizieren. Leider gelang dies nicht, sodass erneut eine komplette Regler-Auslegung manuell gestartet werden musste. Ziel der Auslegung war es ,der Perimeterschleife zu folgen, und in die enge Ladestation hinein zu fahren.
Demonstration
Eine Demonstration des Reglers inklusive Einparken ,ist unter folgendem Link zu finden Youtube
Komponententest
Da es sich bei dieser Entwicklung um die einer einzelnen Komponente handelt, schließt der Komponententest mit dem Testbericht die Entwicklung ab.
| ID | Testfallbeschreibung | Eingänge Abstand_Soll_Kurs, PWM Sollgeschwindigkeit, Soll_Abstand | Erwartetes Ergebnis | Testergebnis | Testperson | Datum |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Kompilierung in Simulink | 0.5, 120, 0 | Der Regler lässt sich in Simulink kompilieren | OK | Marcel Kreuer | 24.01.2018 |
| 2 | Integration in Hauptprojekt | 0.5, 120, 0 | Es kommt zu keiner signifikanten Laufzeitbeeinflussung | OK | Marcel Kreuer | 24.01.2018 |
| 3 | Eingangsgrößen | 0.5, 120, 0 | Der Regler verarbeitet ohne Fehler die gesetzten Eingangsgrößen | OK | Marcel Kreuer | 24.01.2018 |
| 4 | Ausgangsgrößen | 0.5, 120, 0 | Der Regler liefert an beiden Ausgängen einen Wert im PWM-Bereich | OK | Marcel Kreuer | 24.01.2018 |
| 5 | Der Mäher fährt mit 0,5 m Abstand zum Sollkurs. | 0.5, 120, 0 | Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs | OK | Marcel Kreuer | 24.01.2018 |
| 6 | Der Mäher fährt mit 1 m Abstand zum Sollkurs. | 1.0, 120, 0 | Der Mäher fährt in weniger als 3 m zurück auf Sollkurs | OK | Marcel Kreuer | 24.01.2018 |
| 7 | Der Mäher fährt mit 1,5 m Abstand zum Sollkurs. | 1.5, 120, 0 | Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs. | OK | Marcel Kreuer | 24.01.2018 |
| 8 | Der Mäher fährt mit 3 m Abstand zum Sollkurs. | 3.0, 120, 0 | Der Wert an den PWM-Ausgängen überschreitet den Schwellwert von 255 nicht. | OK | Marcel Kreuer | 24.01.2018 |
| 9 | Der Mäher wird während der Fahrt um 90 Grad gedreht. | 0, 120, 0 | Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs. | OK | Marcel Kreuer | 24.01.2018 |
| 10 | Der Mäher wird über 60 Sekunden simuliert | 0, 120, 0 | Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs. Simulation der Ergebnisse in unter 2 Sekunden. | OK | Marcel Kreuer | 24.01.2018 |
| 11 | Es wurde sich an die Programmierrichtlinien gehalten | - | Der Mäher fährt zurück auf Sollkurs. Simulation der Ergebnisse in unter 2 Sekunden. | nicht OK | Marcel Kreuer | 24.01.2018 |
Zusammenfassung
Im Zuge des Projektes Ardumower wurde ein Regler implementiert, mit dem es möglich ist, der Perimeterschleife zu folgen, in die Garage einzuparken und der sämtliche Anforderungen erfüllt. Neben der Reglerauslegung selbst, wurde das Hauptframework so verändert, dass auch ohne funktionierende Mähstrategie, ein Testen der Regelparameter möglich war. So konnten Regelparameter gefunden werden, mit denen es möglich war, der Perimeterschleife zu folgen und schließlich in der Garage einzuparken. Wie im Video zu sehen ist, gibt es noch Verbessungspotential in der Regelung des Roboters. Hierfür ist auch der Perimeterschleifensensor verantwortlich, der nur sehr stark springende, verrauschte Abstände zur Perimeterschleife lieferte. Dies war im Bereich an und über der Schleife selbst besonders stark, so dass für die Fahrt an der Perimeterschleife ein Abstand von 0,25 m gewählt wurde. Hier liefert der Sensor weniger validere Werte.
Ansatzpunkte für die Fortführung des Ardumower Projektes
Für weitere Semester kann die Einstellung des Reglers sicherlich verfeinert werden, um dem Sollkurs besser folgen zu können. Durch die Strategie kann noch eine Windup-Erkennung implementiert werden, welche verhindert, dass bei zu großem Abstand zum Sollkurs, sich der Roboter im Kreis dreht. Insbesondere bedarf es einer Anpassung von Variablenamen und Farben gemäß der Programmierrichtlinien.
Link zum Quelltext in SVN
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