3. Vorlesung. Lehrstuhl für Datenverarbeitung. Technische Universität München

Transkript

1 3. Vorlesung Funktionsweise Barometer Auslesen der Sensor-Rohdaten Moving Average Filter Ansteuern der Motoren mit PWM Befestigung der Gondel am Ballon 52

2 Barometer: Bosch BMP085 Piezoresistiver Drucksensor: Auf eine mit Widerständen versehende Membran wirkt der Luftdruck und verformt diese. Anwendungsbereiche: Höhenmessung, Wetterdaten Druckbereich hpa (-500m bis 9000m) Genauigkeit: +/-1,0 hpa Samplezeit: 4,5 bis 25,5ms I 2 C Interface, vorkalibriert, 3,3V Level Bildquelle: bosch-sensortec.com 53

3 Auslesen der Sensordaten Wire und Adafruit_BMP085 Bibliothek Adresse der MPU6050: b BMP085_I2CADDR Ultra high resolution mode BMP085_ULTRAHIGHRES Initialisierung und Einstellung bmp.begin(-mode-) 54

4 Fehlerbehaftete Messwerte Lösung: Filterung! 55

5 Moving Average Filter Gleitender Mittelwert: Nicht online berechenbar! m (n) MA (t) = 1 n nx 1 i=0 x(t i) Online berechenbarer Filter: m (n) (t) =m (n) (t 1) + x(t) Nachteil: Es müssen nach wie vor n-werte zwischengespeichert werden. n x(t n) n 56

6 Online berechenbarer Moving Average 57

7 Exponentiell geglätteter Mittelwert Exponentiell abnehmende Gewichtung von älteren Datenpunkten m (n) EMA (t) = x(t)+(1 )m(n) EMA (t 1) Es wird nur der vorangegangene Mittelwert mit einbezogen -> Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR) 58

8 Running Average Bibliothek Bibliothek von Robert Tillaart Aufruf von Methoden der Klasse bmpra bmpra.addvalue() und bmpra.getaverage() Beispiel mit 10 zwischengespeicherten Werten 59

9 Ansteuern von Motoren mit dem Arduino Spannung an einem Arduino D/A-Pin bzw. PWM-Pin zwischen 0 und VCC steuerbar -> nur max. 40 ma Lösung Ansteuerung mittels Transistoren (stromgesteuert) Bildquelle: Bildquelle: 60

10 Logic Level MOSFET Leistungs- bzw. verlustloses schalten von Lasten (spannungsgesteuert) MOSFET hat im durchgeschalteten Zustand zwischen Drain und Source einen sehr kleinen Widerstand (>30 mω) Logic Level MOSFET notwendig, um mit einer Steuerspannung zwischen 0 und 5V die Last zu schalten International Rectifier IRLIZ44N G D S 61

11 Schaltplan V bat M D1 Vorwiderstand zur Begrenzung des Umladestroms Vorwiderstand PWM 220R G D S T1 Pulldown- Widerstand zur Vermeidung undefinierter Zustände 10k Pulldown-Widerstand Freilaufdiode zum Schutz des Transistors 62

12 Pulsweitenmodulation Bei konstanter Frequenz f=1/t wird der duty cycle oder Tastgrad t 1 eines Rechtecksignals verändert Je länger t 1 desto höher die eingestellte Leistung Ein Mikrocontroller verwendet zu Erzeugung des PWM-Signals einen Timer analogwrite() erzeugt ein PWM-Signal mit einer Grundfrequenz von 490 Hz Bildquelle: Pulse_wide_wave.svg/1000px-Pulse_wide_wave.svg.png 63

13 Testprogramm int motorpin = 9; // Pin 9 (PWM), connected with Gate of T1 void setup() { } pinmode(motorpin, OUTPUT); // Set motor pin to output mode void loop() { analogwrite(motorpin, 50); // Motor at 50/255 of full speed delay(2000); analogwrite(motorpin, 250); // Motor at 250/255 of full speed delay(2000); } 64

14 Pololu Motortreiber DRV uF VM VM Internal Ref & Regs Charge Pump VINT VCP 2.2uF 0.01uF VM Texas Instruments DRV8833 Doppelte H-Brücke PWM-Logic Gate Treiber Stufen Anschluss eines Schrittmotors oder zweier Gleichstrommotoren AIN1 AIN2 BIN1 BIN2 nsleep Logic Gate Drive & OCP ISEN VM VM VM AOUT1 AOUT2 AISEN BOUT1 DCM D nfault Gate Drive & OCP VM DCM Over- Temp BOUT2 ISEN BISEN GND 65

15 Pololu Motortreiber DRV8833 Texas Instruments DRV8833 Doppelte H-Brücke 66

16 Zweipunktregler Der Regler besitzt zwei Zustände: Ein- bzw. Aus Unterhalb des unteren Schaltpunktes schaltet er aus Oberhalb des unteren Schaltpunktes schaltet er ein und bleibt bis zum oberen Schaltpunkt eingeschaltet > Hysterese Nachteil: Der Regler kommt nie zur Ruhe, kann sich aber einschwingen 67

17 PID Regler P-Glied: proportional Proportionaler Anteil mit Verstärkung K p parallel zum Eingang e Schnelle Korrekturen, keine Verzögerung I-Glied: integral Integriert die Regelabweichung e entsprechend der Nachstellzeit T N Korrektur der Regelvorgabe über der Zeit D-Glied: derivative Differentieller Anteil, welcher sich auf die Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung auswirkt Verstärkung von P und I bei schnellen Veränderungen 68