Fortbewegungsplattform mit zwei Rädern an einer Achse

Ein mechatronisches Designprojekt
Von Professor Kevin C. Craig und Matthew A. Rosmarin
Rensselaer Polytechnic Institute

Übersicht

Ein Entwicklerteam am Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) hat ein interdisziplinäres mechatronisches System in Form einer zweirädrigen Roboter-Fortbewegungsplattform entworfen und einen Prototypen davon erstellt. Inspiriert (und genehmigt) wurde die Initiative von der Segway Corporation, Hersteller des Elektrorollers Segway Human Transporter. Der Roller bewegt sich auf zwei parallelen Rädern fort, die an einer Achse montiert sind. Er wird durch eine elektronische Steuerung im Gleichgewicht gehalten und durch Gewichtsverlagerung gesteuert. So kann er präzise manövriert werden und ist trotzdem stabil. Das Team bewältigte die komplexe Modellierung, Analyse und Steuerung der Plattform sowie die Implementierung zwei voll funktionstüchtiger Prototypen in einem Zeitraum von vier Monaten.

 

Professor Kevin Craig, Kursleiter und Mentor, legt in seinen Kursen zum mechatronischen Systemdesign viel Wert auf fächerübergreifenden Unterricht, der Elektrotechnik, Maschinenbau, Steuersysteme und Informatik umspannt. Das Team begann mit der Modellierung, dann folgten Analyse, Validierung und zuletzt das Design des Steuersystems. Dieser Prozess ist im obigen Diagramm dargestellt. Anschließend wurde ein Prototyp des LOT-V (Light Object Transport Vehicle) erstellt, so dass Sensoren, Aktoren und Steuerimplementierungen im System getestet werden konnten. Als der Prototyp einwandfrei funktionierte, entwickelten die Studenten unter Einsatz aller ihrer erworbenen Kenntnisse eine robuste, eigenständige Plattform namens HOT-V (Human/Object Transport Vehicle), die eine erwachsene Person transportieren kann.

Hard- und Software von National Instruments spielte in allen Phasen des Projekts eine maßgebliche Rolle. Von der Entwicklung des ersten Modells und der Identifizierung von Parametern über die Modellsimulation und -validierung bis hin zur Prototypenerstellung und dem endgültigen Einsatz wurden für die LOT-V- und die HOT-V-Plattform NI-Produkte eingesetzt. Die Synergie zwischen Hardware und Software ermöglichte es dem Team, den Designprozess mit einer einzigen Softwareumgebung zu bewerkstelligen, so dass Simulation, Design und Prototypenerstellung nahtlos ineinandergreifen konnten. Dabei wurden NI LabVIEW und das LabVIEW Simulation Module nicht nur in der Systemsimulation eingesetzt, sondern auch bei der Prototypenerstellung und der Implementierung auf mehreren Zielsystemen, einschließlich NI CompactRIO.

Identifizierung, Modellierung und Design

Der erste Entwicklungsschritt besteht immer darin, zu verstehen, wie ein System tatsächlich funktioniert und wie es optimiert werden kann. Dieser Prozess begann mit der Entwicklung eines physikalischen Systemmodells anhand vereinfachter Annahmen. Physikalische Modellparameter wurden identifiziert und mathematische Gleichungen ergaben sich aus der Anwendung von Naturgesetzen auf das Modell.

Computersimulationen machten dem Team die Bewegungsgleichungen verständlich, da das System in verschiedenen Konfigurationen untersucht werden konnte. Durch die Modellierung, Analyse und Simulation der Komponenten des Systems war das Team in der Lage, Art und Größe der Komponenten passend auszuwählen und Steuerschemata zu testen, ohne auf die Trial-and-Error-Methode angewiesen zu sein.

Erstellung eines Prototyps der LOT-V

Nach der sorgfältigen Analyse der Simulationsergebnisse fiel die Entscheidung, zwei Versionen der Plattform zu entwickeln. Die erste, genannt „LOT-V“ (Light Object Transport Vehicle), ist ein kleiner Prototyp mit vielen Sensoren, der verwendet wurde, um unterschiedliche Sensorlösungen und Steueralgorithmen zu untersuchen und zu evaluieren. Seine Größe ermöglichte Tests und Untersuchungen mit weniger Sicherheitsbedenken. Der Prototyp wurde mit Standardkomponenten gebaut und mit einer kostengünstigen NI-DAQ PCMCIA Card gesteuert, die mit dem mobilen Roboter verbunden war.

Die zweite Version, „HOT-V“ (Human/Object Transport Vehicle), wurde so skaliert, dass sie auch eine erwachsene Person befördern kann. Sie integriert das beim LOT-V-Prototyp erlangte Know-how sowohl beim mechanischen als auch beim elektronischen Design, um maximale Sicherheit und Modularität zu gewährleisten. HOT-V wird mit der Steuer- und Regelplattform NI CompactRIO gesteuert. CompactRIO bietet eine robuste, leistungsstarke und echtzeitfähige Rechenplattform mit elektrisch isolierten Hochgeschwindigkeits-I/O, und damit ein ideales eigenständiges Steuersystem.

Beide Prototypen nutzen LabVIEW und das LabVIEW Simulation Module für die Entwicklung und Implementierung von Algorithmen. LabVIEW trug aufgrund der einfachen Bedienbarkeit und der Geschwindigkeit, mit der die Software rekonfiguriert und von verschiedenen Plattformen verwendet werden konnte, wesentlich zum Erfolg des Projekts bei. Die Algorithmen und die Softwarearchitektur, die beim LOT-V zum Einsatz kamen, konnten mit minimalen Änderungen für die Ausführung auf CompactRIO auf den HOT-V portiert werden.

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LOT-V, balancierend „an der Leine“

Primär diente der LOT-V als Testplattform für verschiedene Sensoren, die im Projekt genutzt werden sollten. Nicht wenig Zeit wurde damit verbracht, geeignete zuverlässige Sensoren auszuwählen, da für die Balance der Plattform genaue Informationen mit hoher Bandbreite nötig sind. Eine zusätzliche Herausforderung bei der Sensorauswahl stellte die Platzierung der Sensoren dar. Alle sollten innerhalb der Plattform installiert werden, um das System robuster zu gestalten. Schnell stand fest, dass verschiedene Sensoren gemeinsam integriert werden mussten, um eine einzige Messung mit ausreichender Qualität zu realisieren. Mit LabVIEW war das Testen von Sensorkombinationen sehr einfach, da das gesamte System in einer einzigen Umgebung implementiert war. Verschiedene Kombinationen konnten erst in einer Simulation evaluiert und dann ohne Zusatzaufwand auf die reale Hardware übertragen werden. Viele Sensorkombinationen wurden untersucht und nach zahlreichen Experimenten fiel die Wahl auf eine Methode der „Verschmelzung“ von Sensoren, die von Professor Ernest Doebelin von der Ohio State University stammte. Dieses Schema wurde in das Steuersystem der Plattform integriert und dazu verwendet, Messungen von einem Neigungsmesser und einem Gyroskop zu kombinieren, um die Winkelposition in Relation zur Schwerkraft zu berechnen.

Die endgültige Implementierung umfasst auch am Motor installierte optische Encoder für die präzise Lenkung und für die Messung der linearen Position und Geschwindigkeit der Plattform.

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LabVIEW-Simulationssubsystem der Sensorverschmelzung von Doebelin

 

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Übersicht des Datenflusses von den Sensoren

Mithilfe des LabVIEW Simulation Module implementierte das Team einen Feedback-Controller zur Steuerung der Balance der Plattform. Dieser wurde mittels der LQR-Technik (Linear-Quadratic Regulator) auf einer linearisierten Version des Systems entwickelt. Dank der Flexibilität der NI-Hardware- und -Softwareplattform konnten verschiedene Varianten des Controllers ganz einfach getestet werden, um festzustellen, welche die beste Wahl für das tatsächliche System war.

Als das Team schließlich mit dem Design zufrieden war, wurde mit den Sensoren, Aktoren und Steuerschemata, die zuvor prototypisiert worden waren, ein robustes, unabhängiges System erstellt.

NI-DAQ-basierte Steuerung des LOT-V innerhalb der LabVIEW-Simulationsschleife

Einsatz des HOT-V

 

HOT-V, balancierend ohne Passagier

Zwar ist der HOT-V viel größer und komplexer, er integriert aber alles, was das Team für den kleineren LOT-V entwickelt und dabei gelernt hatte. Der HOT-V besteht zum Großteil aus Standardkomponenten, die in wenigen Tagen zu einer vollständig integrierten und funktionstüchtigen Plattform zusammengebaut wurden. Nach der Montage war es überraschend einfach, die Software von einem LabVIEW-Zielsystem auf ein anderes zu portieren. Die Studenten konnten das gesamte Steuersystem des LOT-V übernehmen, es mussten nur neue Controller-Parameter errechnet und die I/O auf die CompactRIO-Plattform abgestimmt werden. Schon nach ein paar Stunden konnte das System implementiert werden. Tolle Arbeit!

Echtzeitsteuerung des HOT-V innerhalb der LabVIEW-Simulationsschleife

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Komponenten der HOT-V-Plattform

Die HOT-V-Plattform ist nicht nur viel größer als LOT-V, sondern auch viel leistungsfähiger. Ihr Energieversorgungssystem kann mehrere Hundert Ampere Strom liefern, so dass der Motor mit mehr als 3 PS läuft. CompactRIO wurde dafür wegen seiner Abschirmungs- und Isolationseigenschaften sowie wegen des kleinen, robusten Formfaktors ausgewählt.

Zwar arbeitet HOT-V vollkommen eigenständig, trotzdem war es dem Team wichtig, das System während des Betriebs überwachen und mit ihm interagieren zu können. Der internetfähige LAN-Adapter von CompactRIO ermöglichte die Installation eines 802.11-Wireless-Routers im System. Dadurch steigerte sich die Funktionalität des Systems um ein Vielfaches, denn jetzt bestand eine Wireless-Kommunikationsverbindung zum System, so dass das Team den HOT-V von unterschiedlichen Plattformen aus steuern konnte.

Das Team entschied, einen HP iPAQ Pocket PC in den Betrieb des HOT-V einzubinden. Dafür wurde das LabVIEW PDA Module verwendet, damit weiterhin die LabVIEW-Plattform zum Einsatz kam. Der Pocket PC führt ein LabVIEW-Programm aus, das zwei Betriebsmodi erlaubt:

1. Warndisplay: Wenn eine Person mit dem HOT-V unterwegs ist, zeigt der iPAQ Informationen zum Status der Plattform an, etwa den Batteriestand oder den aktuellen Energieverbrauch. Der iPAQ kann an der Lenkstange befestigt werden.

2. Fernsteuerung: Transportiert der HOT-V keine Person, sondern einen Gegenstand, kann er vom iPAQ aus ferngesteuert werden. Der Anwender kann verschiedene Teile des Systems und die Bewegungen steuern.

Die Ergänzung der handlichen Benutzeroberfläche machte den HOT-V zu einer noch vielfältigeren Experimentierplattform.

Von allen Hürden bei Design und Implementierung, die das Team überwinden konnte, war die höchste wohl der knappe Zeitrahmen, in dem das Projekt abgeschlossen wurde. Der gesamte Designprozess, von der Idee über die Modellierung und Analyse, experimentelle Validierung und das Steuerdesign bis hin zur Montage und Implementierung, wurde innerhalb von nur vier Monaten abgeschlossen. Dieser Erfolg kann der durchgängigen Entwicklungsplattform und engen Integration der NI-Hardware und der Software NI LabVIEW zugeschrieben werden, die nahtlose Übergänge von Modellierung und Analyse zu Prototypenerstellung und Implementierung ermöglichten.