IGS Enkenbach-Alsenborn MINT Abend 22. Mai Multicopter, Roboter und Co.

Transkript

1 IGS Enkenbach-Alsenborn MINT Abend 22. Mai 2015 Multicopter, Roboter und Co. Prof. Dr.-Ing. Gerd Bitsch Hochschule Kaiserslautern (und Fraunhofer ITWM)

2 Inhalt Wie funktioniert ein Quadro- bzw. Multicopter? Dazu zuerst: Wie funktioniert ein selbstbalacierender Zweiradroboter? Aufbau Regelung Sensorik 2

3 Beispielvideo Zweiradroboter 3

4 Beispielvideo Quadrocopter 4

5 Quadrocopter & Zweiradroboter Herausforderungen Quadro- bzw- Multicopter sowie Zweiradroboter sind von Hause aus nicht eigenstabil! Die aktuelle Lage muss ständig über Sensoren bestimmt werden Die aktuelle Lage muss ständig mittels Aktoren korrigiert werden Sollen sich diese auch autonom im Raum bewegen, kommt zusätzlich dazu: Die Bestimmung der aktuellen Position Die Berechnung des notwendigen Weges Das Abfahren bzw. Abfliegen des vorher berechneten Weges 5

6 Zweiradroboter Ein einfaches Modell m m y y ϕ ϕ x x Zum Ausbalancieren muss der Block/das Rad ständig so bewegt werden, dass der Winkel ϕ möglichst zu Null wird! 6

7 Zweiradroboter Die zwei Hauptaufgaben Zur Aufrechterhaltung der vertikalen Position sind somit folgende zwei Hauptaufgaben zu lösen: Die Bestimmung des aktuellen Winkels (-> Lagebestimmung) Die Korrektur der Fußpunktlage, der notwendigen Position des Fußpunktes (-> Regelung), so dass der aktuelle Winkel gegen Null geht Da wir sehen werden, dass für die Regelung die Bestimmung der Lage alleine nicht ausreichen wird, betrachten wir nun zuerst die Regelung! 7

8 Zweiradroboter Regelung einfaches Beispiel Für unsere Betrachtungen zur Regelung können wir ein anschaulicheres Beispiel zu Hilfe nehmen: y ϕ x 8

9 Zweiradroboter Regelung der P(proportional)-Anteil Für unsere Betrachtungen zur Regelung können wir ein anschaulicheres Beispiel zu Hilfe nehmen - > Kugel soll an der Position des roten Punktes liegen: y x Kugel ist korrekt -> Hand in Nullposition y Kugel zu weit rechts -> Hand nach oben = P Hand x Kugel Kugel zu weit links-> Hand nach unten 9

10 Zweiradroboter Regelung Problematik reiner P-Anteil Bei einer Korrektur nur basierend auf dem Positionsfehler, wird die Kugel in der angestrebten Position immer eine Geschwindigkeit haben, die ungleich Null ist. Daraus ergibt sich, dass wir sie so nie exakt in die Ruhelage bekommen können, sondern bestenfalls eine mehr oder weniger große Schwingung um die Ruhelage erreichen! v 0 Idee: Kugel bremsen, also die Geschwindigkeit der Kugel in die erforderliche Position der Hand mit einzubeziehen! 10

11 Zweiradroboter Regelung D(Geschwindigkeits)-Anteil Bremsen der Kugel, die sich mit der Geschwindigkeit v bewegt: v > 0 y x y = D Hand v Kugel Kugel bewegt sich nach rechts> Hand nach oben zum Bremsen 11

12 Zweiradroboter Regelung Um eine Chance zu haben, die Kugel in die gewünschte Lage zu bekommen, müssen wir einfach beide Teile überlagern: x Kugel v > 0 y ϕ x y Hand = P x Kugel + D v Kugel 12

13 Zweiradroboter Regelung Die PD-Rückführung x Kugel v > 0 P + + Position Hand Balken mit Kugel Position Kugel Geschw.Kugel D 13

14 Zweiradroboter Regelung Die PD-Rückführung Zur Erhaltung der vertikalen Position werden sowohl der Winkelausschlag, wie auch die Winkelgeschwindigkeit zurückgeführt! Die Faktoren P und D müssen dann geeignet bestimmt werden. P + + Kraft Lage ϕ Zweiradroboter Drehgeschw. ω y ϕ ω D x 14

15 Zweiradroboter Regelung komplett Soll zusätzlich die Geschwindigkeit des Roboters geregelt werden, kann/muss die Abweichung von der Sollgeschwindigkeit auch zurückgeführt werden! K v Geschw.-Abweichung + Sollgeschw. - K ω K ϕ Lage ϕ Motorspannung Zweiradrob. Drehgeschw. ω Fahrgeschw. v 15

16 Quadrocopter Grundaufbau Motor 1 Sensorik und Regelung Motor 2 Motor 4 Motor

17 Quadrocopter Bewegungsrichtungen und Schubkräfte Schubkraft seitwärts auf/ab vor-/ rückwärts 17

18 Quadrocopter Seitenansicht Schub Gesamtschub Schub nach oben ϕ, ω Schub nach vorne Vergleichbares Problem, deswegen: Gleicher Ansatz zur Regelung der Lage! 18

19 Quadrocopter Lageregelung in der Horizontalen Schubkraftdifferenz ϕ, ω P + Schubkraftkraftdifferenz + Quadrocopter Horizontalachsen Lage ϕ Drehgeschw. ω D 19

20 Quadrocopter Draufsicht Drehrichtung der Propeller Drehmoment auf Copter ist der Drehrichtung der Propeller entgegengerichtet und nimmt mit Erhöhung der Drehzahl zu 20

21 Quadrocopter Rotation um Hochachse Ausgeglichener Zustand, wenn alle Drehzahlen gleich -> keine Rotation des Copters Drehzahl paarweise erhöhen bzw. erniendrigen -> Vertikalschub gleich, aber Rotation des Copter 21

22 Quadrocopter Sensorik P + Schubkraftkraftdifferenz + Quadrocopter Horizontalachsen Lage ϕ Drehgeschw. ω D Prinzipiell reicht bereits ein Drehratensensor aus, um das unkontrollierte Wegkippen des Copters zu vermeiden aber dann muss der Pilot für ständig für die korrekte Lage sorgen (->Akrobatik- Modus)! Einfacher: Zusätzliche Erfassung der Lage, so dass der Copter selbständig eine stabile Lage einnehmen kann bzw. ein vorgegeben Lage beibehält! 22

23 Quadrocopter Sensorik - Drehratensensoren In diesem Zusammenhang werden als Drehratensensoren heute sogenannte MEMS (Micro Elektro Mechanical Systems) eingesetzt: ω Bilder: Invensense 20µm Das Messprinzip basiert unter anderem auf dem Coriolis-Effekt / der Coriolis-Kraft 23

24 Quadrocopter Sensorik - Beschleunigungssensoren Auch in diesem Zusammenhang werden als Beschleunigungssensoren heute in der Regel sogenannte MEMS eingesetzt: R d 0 + d d 0 - d C 1 U m ~U S C 2 R Bilde: Invensense Kleine Masse/Federn werden durch die Beschleunigungen ausgelenkt die Auslenkung wird dann auf dem gleichen Chip elektronisch ausgewertet und die Messwerte an einen µc ausgegeben. 24

25 Quadrocopter Sensorik Lage und Beschleunigung Idee: Richtung der Erdbeschleunigung gibt an, wo unten ist: Beschleunigungs-Sensor kann Beschleunigungen in drei Raumrichtungen x, y, z messen: y x Im statischen Fall kann die Lage über die gemessenen Komponenten a x, a y, (a z ) der Erdbeschleunigung bestimmt werden. y x g 25

26 Quadrocopter Sensorik Schwere und Beschleunigung Ruhender Fahrstuhl Frei fallender Fahrstuhl Ein Beschleunigungssensor kann zwischen gravitationsund bewegungsbedingter Beschleunigung nicht unterscheiden! Frei fallender Fahrstuhl +Raketenantrieb 26

27 Quadrocopter Sensorik Sensorfusion Ein einfacher Trick (es geht auch komplizierter/genauer): Man nutzt Beschleunigungs- und Drehratenwerte gleichzeitig, um die Lage zu bestimmen: Man summiert die Drehraten auf (integriert) und erhält damit den aktuellen Winkel dieser Winkel würde mit der Zeit durch Aufsummieren der Fehler immer mehr vom richtigen Winkel abweichen. Aus diesem Grund wird der so berechnete Winkel hochpassgefiltert (nur schnelle Anteile berücksichtigt). Zur Korrektur benutz man den Winkel aus den Beschleunigungssensoren die werden jedoch vorher tiefpassgefiltert, um die Fehler durch kurzzeitig auftretende Beschleunigungen zu vermeiden (nur langsame Anteile berücksichtigt). -> Komplementärfilter 27

28 Quadrocopter Finale Struktur Externe Steuersignale Mensch Evtl. Computer Microcontroller zur Lageregelung Antrieb Motorsteller Motoren Propeller Copter Grundgestell Sensoren Beschleunigung Drehraten 28

29 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen? 29