Modellbasierte Simula0on und experimentelle Anwendung von mechatronischen Systemen in der Lehre mit MATLAB, Simulink und Raspberry Pi.

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Modellbasierte Simula0on und experimentelle Anwendung von mechatronischen Systemen in der Lehre mit MATLAB, Simulink und Raspberry Pi."

Johannes Schäfer
vor 7 Jahren
Abrufe

1 Modellbasierte Simula0on und experimentelle Anwendung von mechatronischen Systemen in der Lehre mit MATLAB, Simulink und Raspberry Pi. Dipl.- Ing., M.Sc. Jochen Theis Fachbereich LuO- und RaumfahrRechnik FH Aachen University of Applied Sciences Web: FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES FACHBEREICH LuO- und RaumfahrRechnik

2 Agenda Einführung Wo wird MATLAB/Simulink und Raspberry Pi eingesetzt. Verwendete Beispiele aus der Lehre Experiment: Magne0sche Schwebung Zusammenfassung FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

3 Überblick - FH Aachen 1971 Gründung als Fach- Hochschule Aachen 10 verschiedene Fachbereiche an den Standorten Aachen und Jülich Ca Studenten, davon ca. 19% aus dem Ausland 220 Professoren und 600 Mitarbeiter in Lehre und Forschung 48 Bachelor- und 22 Masterstudiengänge der IngenieurwissenschaOen, der WirtschaOswissenschaOen und Design stehen zur Auswahl Enge Koopera0onen mit regionalen und interna0onalen Unternehmen sowie renommierten Forschungseinrichtungen sind etabliert FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

4 Wo wird MATLAB/Simulink eingesetzt Mechatronic Systems Simula0on ú Lehrveranstaltung am Fachbereich LuO- und Raumfahrt ú Pflichtmodul für Master Mechatronics, 3. Semester, 6 SU ú Teil 1: Simula0on für Lumped Element Simula0on (component based models) ú Teil 2: Integrated Systems Simula0on (behavior based models) mit Einsatz von MATLAB und Simulink FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

5 Bisheriger Kursinhalt MATLAB ú Auoau MATLAB, M- Files, Grafik, DatenschniRstellen, Toolboxen Simulink ú Libraries, Lösen von Differenzialgleichungen, SimScape (Electrical) Stateflow ú Zustandsautomaten Praxisteil ú Automa0sierte Simula0onen, Toolchain SoOwaresimula0on mit anschließender Einbindung von Hardware ú Verwendung von verschiedenen Simula0ons- und Hardwareplatormen Prüfung ú PC basiert FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

6 Mechatronische Systeme: Beispiel 1 Simula0on und Versuch Wasserkocher ú Prak0scher Versuch und Vergleich durch Simula0on FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

7 Mechatronische Systeme: Beispiel 2 Simula0on DC Motor mit gekoppelten Generator ú Simula0on dynamisches Verhalten in Simulink ú Aufstellen und Lösen der Differen0algleichung des elektro- mechanischen Systems in Simulink ú AuOeilung Regler und Regelstrecke im Modell FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

8 Mechatronische Systeme: Beispiel 3 Objekterkennung: Raspberry Pi ú Simulink Modell für Bildauswertung und lokalisierung eines farbigen Objektes ú Verfügbares Simulink Support Package wurde genutzt ú Bild über USB WebCam erfassen und über Modell ein Objekt (z.b. grüner Ball) erkennen und markieren ú Grenzen des Systems feststellen (- > 2 Objekte erscheinen auf dem Bild) Idee: Einsatz eines Raspberry Pi s als universelle HardwareschniRstelle für verschiedene Experimente FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

9 Anforderungen der Hardware für Experimente Digitale Ein- /Ausgänge Analoge Ein- und Ausgänge PWM, SPI und I2C USB (Echtzeit) SD Karte, LAN/ WLAN Integra0on in Simulink Simulink Modell Hardware Schnittstellen Experiment FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

10 Experiment: Hardware Raspberry Pi ú Low Cost Hardware, Linux Betriebsystem, Embedded ú ARM Mhz Prozessor, GPIO SchniRstelle, USB, SD, HDMI, LAN ú PWM, SPI und I2C * ú MATLAB Support Package (*) ú Simulink Support Package FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

11 Experiment: Magne0sche Schwebung Mechanischer Auoau Elektromagnet Hall Sensor Kugel mit Permanent Magnet Adapterplatine PWM Signal Spannung Hallsensor FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

12 Experiment: Magne0sche Schwebung Elektrischer Auoau Analoge Spannung als Eingangssignal in das Simulink Modell Ansteuerung über einen Ausgang des Simulink Modells FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

13 Experiment: Magne0sche Schwebung Konzept für das Modell in Simulink Schwebung bei Fmagnet = Fkugel Aktuelle Posi0on der Kugel zum Elektromagneten über die analoge Hallspannung. Die Differenz der magne0schen Feldstärke des Elektro- magneten und der Kugel ist ein Maß für den Abstand. Ansteuerung des Elektromagneten über ein PWM Signal Fmagnet Fkugel= m*g Geeignete Regelungsstrategie FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

14 Experiment: Magne0sche Schwebung Analog Signal (Hall Sensor) Konzept: Ergänzung AD- Wandler über SPI, um analoge Werte über Raspberry Pi zu erhalten. SPI A/D Ergebnis: GPIO sind bis 1 KHz über Simulink triggerbar, benötigt werden >50 KHz. Simulink: Mit Erweiterung der Library über S- Functions FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

15 Experiment: Magne0sche Schwebung PWM Signal (Elektromagnet) Konzept: PWM Ausgang von Raspberry Pi über Simulink ansprechen. Ergebnis: PWM Ports sind derzeit nur über MATLAB Support Package einsetzbar. Simulink: Mit Erweiterung der Library über S- Functions FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

16 Experiment: Magne0sche Schwebung Aktuelle technische Umsetzung Code Generierung mit Hilfe eines Simulink Targets. (Linux Arm 32) *.so File wird erzeugt. Embedded Linux System mit PWM und AI/ AO. Kompilierte Modelldatei (*.so) wird eingebunden und mit 100µs getriggert. FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

17 Experiment: Magne0sche Schwebung Abstandsmessung mit USB Kamera und Raspberry Pi ú Wie ist der Abstand der Kugel zum Elektromagneten? ú Basis: Objekterkennung mit Raspberry Pi ú Umsetzung: z.b. als Ablaufsteuerung in Stateflow, um Referenzpunkt (blau) zu definieren und anschließend die Posi0on der grünen Kugel zu lokalisieren. ú Umrechnung Pixel <- > mm ú Aufzeichnung des Bewegung der Kugel ú Datenauswertung in MATLAB FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

18 ZukünOige SchriRe Erweiterung für Raspberry Pi Library ú Erstellung verschiedener Blöcke ú Zugriff auf PWM Ports ú Zugriff auf SPI SchniRstellen ú Umsetzung mit Hilfe von S- Func0ons Umsetzung einer standardisierten IO SchniRstelle mit dem Raspberry Pi für 10 Labor Arbeitsplätze, um verschiedene Experimente durchzuführen. FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

19 Zusammenfassung Mechatronic Systems Simula0on ú Erfolgreicher Einsatz von MATLAB/ Simulink /Stateflow zur Simula0on von mechatronischen Systemen in der Lehre ú Praxisanteil im Modul mo0viert die Studenten Einsatz von Raspberry Pi als Low Cost Embedded System ú Webcam (Experimente für Objekterkennung sehr gut anwendbar) ú Digitale Ein- und Ausgänge nutzbar, Ain/Aout aktuell nicht verfügbar ú PWM, SPI und I2C aktuell im Simulink Support Package mit Hilfe von S- Func0ons realisierbar ú Toolchain in Simulink mit Raspberry Pi erfolgreich angewendet Kopplung verschiedenen Entwicklungsumgebungen ú Kompiliertes Modell auf Linux Real Time System einsetzbar FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

20 Vielen Dank! Fragen? Dipl. Ing., M.Sc. Jochen Theis Fachbereich LuO- und RaumfahrRechnik FH Aachen University of Applied Sciences Web: FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES June 26,

Ähnliche Dokumente

Eine Anleitung zur Entwicklung von Simulink-Targets für die Lehre. 10. MBEES 2014, Dagstuhl

Eine Anleitung zur Entwicklung von Simulink-Targets für die Lehre 10. MBEES 2014, Dagstuhl Frank Tränkle Automotive Systems Engineering frank.traenkle@hs-heilbronn.de Inhalt Lehrveranstaltungen für Modellbasierte