Skript zum Labor Maschinenkonstruktion. Konzipieren mechatronischer Produkte: Modellbasierte Programmierung eines Mikroroboters

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1 Skript zum Labor Maschinenkonstruktion Konzipieren mechatronischer Produkte: Modellbasierte Programmierung eines Mikroroboters Sommersemester 2012

2 1. Einführung 1.1. Modellbasierte Entwicklung mechatronischer Systeme Die modellbasierte Entwicklung (engl.: model-based Design) ist zentraler Bestandteil der virtuellen Produktentwicklung. Der Nutzen von Modellen ist das: Strukturieren von komplexen Sachverhalten Erfassen von Einflüssen und Zusammenhängen, um so die Struktur oder Funktionsweise eines Systems zu durchschauen Ermöglichen von Analysen, z.b. über Simulationen Modelle verfolgen eine definierte Zielsetzung und besitzen aufgrund vereinfachter Annahmen eine eingeschränkte Gültigkeit. Modelle können vielfältig sein: Topologische Modelle beschreiben meist eine Struktur, z.b. Strukturmodelle, Beschreibungsmodelle. Physikalische Modelle beschreiben das meist ungesteuerte physikalische Verhalten, z.b. Mehrkörpermodelle, Finite Element Modelle. Ablauforientierte Modelle beschreiben das gesteuerte Verhalten, z.b. Petri-Netze, Sequenzdiagramme. Geometrische Modelle beschreiben die Gestalt, z.b. CAD Modelle, Finite Element Modelle. Mathematische/Numerische Modelle beschreiben einen mathematischen, bzw. numerischen Zusammenhang, z.b. Reglermodelle. Modelle, die das Verhalten beschreiben, können weiter in kontinuierliche und diskrete Modelle unterschieden werden. Kontinuierliche Modelle beschreiben einen kontinuierlichen Zusammenhang zwischen Eingabe und Verhaltensgröße. Dies ist meist bei physikalischem Verhalten der Fall. Bei diskreten Modellen gibt es bei Änderungen des Eingangs eine diskrete Änderung. Dies ist meist bei gesteuerten Verhalten der Fall. Werden kontinuierliche und diskrete Modelle kombiniert, wird von hybriden Modellen gesprochen Das V-Modell als Vorgehensmodell Die Modellbildung ist eine parallel zu den Phasen des Entwicklungsprozesses durchgeführte Tätigkeit. Ziel ist es, die Systemeigenschaften in Modellen abzubilden und mit Hilfe von rechnerunterstützten Werkzeugen zu analysieren bzw. zu simulieren. In diesem Laborversuch soll exemplarisch der modellbasierte Softwaregenerierungsprozess durchgeführt werden, siehe Abbildung 1. 2

3 Abbildung 1: V-Modell in Anlehnung an VDI 2206 [1, 2] Es lassen sich drei Ebenen der Modellbildung identifizieren: Modellbildung und Spezifikation Hier werden meist qualitative Modelle wie z.b. Anforderungsmodelle, Funktionsmodelle oder Spezifikationsmodelle erstellt. Als Autorenwerkzeuge dienen z.b. Editoren für Beschreibungssprachen. Modellbildung und Simulation Auf dieser Ebene werden meist quantitative, simulierbare Modelle erstellt, z.b. multiphysikalische Simulationsmodelle die mehrere Disziplinen mit einbeziehen. Als Autorenwerkzeuge dienen z.b. Simulationseditoren wie Dymola oder Matlab/Simulink. Disziplinspezifische Modellbildung Auf dieser Ebene werden z.b. Geometrie- oder FEM-Modelle erstellt, die einen sehr disziplinspezifischen Charakter haben. Als Autorenwerkzeuge dienen z.b. CAD Systeme, disziplinspezifische Simulationssoftware oder integrierte Softwareentwicklungsumgebungen (IDE, integrated development environemnt). 2. Vorstellung der verwendeten Werkzeuge 2.1. Lego Mindstroms NXT Steuerungscomputer Der NXT ist ein Steuerungscomputer im Sinne eines eingebetteten Systems, zur Steuerung und Regelung eines technischen Grundsystems. Aufgrund der offenen Schnittstellen gibt es viele Möglichkeiten den NXT zu programmieren. In diesem Labor wird Matlab und C zur Programmierung verwendet. 3

4 Hardwarespezifikation: Atmel-ARM-Prozessor (ARM 7 kompatibel) mit 256 kb Flash-Speicher, 64 kb RAM, 48 Mhz Atmel 8-Bit AVR, ATmega48 Koprozessor, 4kb Flash-Speicher, 512 Byte RAM, 8Mhz Bluetooth, USB, 3 Motorausgänge, 4 Sensoreingänge (analog und digital), LCD, 8-bit Sound Die Architektur ist in Abbildung 2 exemplarisch dargestellt. Abbildung 2: Architekturübersicht [3] 2.2. Matlab/Simulink und weitere verwendete Toolboxen In den letzten Jahren wurde Matlab durch viele weitere Funktionalitäten und Eigenschaften erweitert. Simulink, Stateflow, und Simulink Coder sind Produkte, die in diesem Labor weiterhin verwendet werden, um das durchgängige modellbasierte Entwickeln zu ermöglichen. Simulink ist eine Software zur Modellierung des dynamischen Verhaltes von Systemen mit Hilfe von grafischen Blöcken. Simulink stellt einen Grundsatz an kontinuierliche und diskrete Schaltblöcke zur Verfügung, der durch weitere benutzerdefinierte Blöcke erweitert werden kann. Stateflow dient zur Modellierung und Simulation ereignisdiskreter Systeme innerhalb von Simulink. Mit Hilfe von sogenannten Zustandsdiagrammen (engl. State charts) werden die Modelle grafisch programmiert. Simulink Coder ermöglicht das Erstellen von C und C++ Code aus Simulink- und Stateflow- Diagrammen, sowie Matlab Funktionen. Der generierte Code kann für eine Vielzahl von Echtzeit- und Nicht-Echtzeitanwendungen verwendet werden. 4

5 ECRobot NXT Toolbox (vgl. Abbildung 3) ist eine speziell für Lego Mindstroms NXT ausgelegte Toolbox, die entsprechende Simulink-Bibliothekselemente für Sensoren und Aktoren mitbringt. Abbildung 3: ECRobot NXT Bibliothek Motor 2.3. Ausgewählte Sensoren und Aktoren Datentyp Int8 5

6 Dimension [1 1] Wertebereich -100 bis 100 Port ID Modus A/B/C Brake/Float Drehsensor Datentyp Int32 Dimension [1 1] Wertebereich Port ID Voller Wertebereich von int32 [deg] A/B/C Touchsensor Datentyp Unt8 Dimension [1 1] Wertebereich Port ID 0 (nicht berührt), 1 (berührt) S1/S2/S3/S4 6

7 Ultraschallsensor Datentyp Int32 Dimension [1 1] Wertebereich Port ID 0 bis 255 [cm], -1 (der Sensor ist nicht bereit) S1/S2/S3/S4 Scheduler Block Für eingebettete Systeme typisch ist das Ausführen von mehreren nebenläufigen Anweisungen. Die Ausführungsstrategie mit den verschiedenen Timings (z.b. Initialisierung, asynchron, periodisch) kann über den Exported Function-Calls Scheduler Block definiert werden, siehe Abbildung 4. 7

8 Abbildung 4: Parameter des Exported Function-Call Schedulers 2.4. NXTOSEK Framework Zur Erstellung von ausführbarem Code ist das NXTOSEK Framework notwendig. Das NXTOSEK Framework ist eine open source Plattform für LEGO Mindstorms NXT. NXTOSEK besteht aus Gerätetreibern (lejos NXJ, TOPPERS/ATK automotive Kernel und TOPPERs/JSP mit ARM7), die zusammen die Programmierung in C/C++ erlauben. [4] Das NXTOSEK wird benötigt, um den durch Simulink Coder erzeugten C-Code zu kompilieren. Dies geschieht über den GNU ARM GCC Compiler und ist durch Matlab Skripte weitgehend automatisiert. 8

9 3. Arbeitsinhalt am Tag der Versuchsdurchführung Am Tag der Versuchsdurchführung wird der NXT Steuerungscomputer über ein Modell in Simulink programmiert. Dafür wird aus dem erstellten Simulink Modell über den Simunlink Embedded Coder C-Code generiert, der dann wiederum für die NXT Plattform kompiliert und darauf ausgeführt wird. Abbildung 5: Arbeitsschritte der Softwaregenerierung Quellen: [1] Eigner, M.; Gerhardt, F.; Gilz, T.; Mogo-Nem, F.: Informationstechnologie für Ingenieure, Springer, [2] VDI 2206, Beuth Verlag, [3] Mathworks, Embedded Coder Robot NXT Modeling Tips [4] NXTOSEK, 9

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