Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kar Irányítástechnika és Informatika Tanszék DARU IRÁNYÍTÁSA Önálló laboratórium beszámoló Készítette: Menyhárt Balázs BDVUD4 Papp Dávid FNHTXB Konzulens: Dr. Kiss Bálint 2014. május 17.
Tartalomjegyzék 1. Bevezetés... 2 2. Hardver elemek... 3 2.1. A darufej felépítése... 4 2.2. A Quanser Q8 csatlakozópanelje... 5 2.3. Az összeköttetések megvalósítása... 5 2.3.1. Connection 1... 6 2.3.2. Connection 2... 7 2.3.3. Connection 3... 7 2.3.4. Connection 4... 7 2.3.5. Connection 5... 8 2.3.6. Connection 6... 9 3. A szoftveres irányítás megvalósítása... 10 3.1. Programozás... 10 3.1.1. Feszültség szabályzás... 11 3.1.2. Pozíció szabályzás... 12 3.1.3. Sebesség szabályzás... 13 3.2. Simulink Program:... 14 3.2.1. Vezérlés engedélyezése... 14 3.2.3. Érzékelők... 16 3.2.4. Vezérlés... 16 3.3. WinCon... 17 3.3.1. Kezelőfelületek... 18 4. Egyéb próbálkozások, és lehetőségek a jövőre nézve... 19 4.1. Irányítás gamepad segítségével... 19 4.2. Egyéb lehetőségek... 20 1
1. Bevezetés A félév során a BME Irányítástechnika és Informatika Tanszékének IB313-as laborjában található darumodell irányításával foglalkoztunk. Munkánk során megismertük a modell hardver elemeit, a beavatkozó szervek és érzékelők működését, ezek összeköttetéseit a gyorsprototípustervező eszközzel. A rendszerhez mi magunk is további összeköttetéseket terveztünk, és valósítottunk meg. Alaposan megismerkedtünk a Quanser Q8 gyorsprototípus eszköz felépítésével, működésével és a hozzá tartozó WinCon szoftverkörnyezet elemeivel, valamint ehhez kapcsolódóan a Matlab Simulink grafikus fejlesztői környezetével. Létrehoztunk egy rendszert, amely lehetővé teszi a modell jeleinek SI mértékegységben való mérését, jelalakjainak rögzítését, és a daru vízszintes mozgásának irányítását többféle módon: az előállt rendszer tartalmaz feszültségjellel történő irányítást, soros kompenzátorral megvalósított pozíciószabályozást, és mozgóátlag segítségével meghatározott sebességmérésen alapuló sebességszabályozást. Beszámolónkban ismertetjük a rendszerünk fizikai felépítését, az elkészített szoftveres irányítás működését és tervezési szempontjait, és kitérünk a téma jövőbeli folytatási lehetőségeire is. 2
2. Hardver elemek A rendszer az alábbi fizikai komponensekből áll: - vezérlő PC a benne elhelyezett gyorsprototípus eszköz kártyájával - a gyorsprototípus eszköz csatlakozópanelje, amelybe a vezetékeket bekötjük - csatlakozások és összeköttetések, vezetékezés - a darut vízszintesen mozgató sín, ennek pozíciót visszajelző inkrementális adója, és a hozzá tartozó Amira teljesítményelektronika - a daru feje : o a kötél hosszát változtató Maxon motor beépített inkrementális adóval, és a hozzá tartozó teljesítményelektronika o inkrementális adó a kötél lengési szögének mechanikus mérésére o lézeres jeladók a kötél lengési szögsebességének pontosabb mérésére Ezt az alábbi séma is összefoglalja: 3
A munkát először a DSpace DS 1102 gyorsprototípus eszközzel kezdtük. Ennek működését is elég alaposan megismertük, amely tanulságos volt számunkra, de hosszú távú terveinkre nézve nem bizonyult megfelelőnek, mivel ezen az eszközön csak két inkrementális adó bemenet van, és nekünk három jelet kellett inkrementális adóval mérnünk (vízszintes elmozdulás, kötél hossza, kötél lengési szöge). Ezért hamarosan áttértünk a Quanser Q8 eszközre, amelybe akár nyolc enkóder is beköthető. A félév további részében végig erre az eszközre fejlesztettünk. A mozgató sínre felszereltük a darufejet, lecserélve az előzőleg ott található ingát. Megterveztük az összeköttetéseket, amelyeknek elég hosszúnak kellett lenniük, hogy a mozgató sín kábelcsatornáján átkanyarodva elérjenek a vezérlő számítógépig. Az alkatrészeket beszereztük, és legyártottuk a kábeleket. Erről a munkáról részletes dokumentációt készítettünk. 2.1. A darufej felépítése Az alábbi képen látható az érzékelők és beavatkozó szervek elhelyezkedése: 1. A kötelet tekerő motor, végén inkrementális adó 2. Mechanikus szögmérő inkrementális adó 3. Lézerkapuk 4
2.2. A Quanser Q8 csatlakozópanelje 1. Csatlakozás a PC-hez 2. Analóg kimenetek (RCA) 3. Digitális ki-és bemenetek (DIO) 4. Inkrementális adó bemenetek (DIN) 5. Analóg bemenetek (RCA) 2.3. Az összeköttetések megvalósítása A régebben használt DSpace rendszerhez már rendelkezésre álltak bizonyos kábelek, ezek azonban nem voltak elég hosszúak ahhoz, hogy a darut a sínre felszerelve is elérjenek a vezérlő számítógépig. A kábelezés újratervezésének másik oka az volt, hogy a Quanser csatlakozópaneljén másfajta csatlakó aljzatok vannak. Ezen szempontok alapján készítettük el a kábeleket. 5
A hangfalkábelekre elválasztó elemeket helyeztünk el, hogy későbbi csatlakoztatásukat megkönnyítsük. Megállapodás alapján ezek az összekötő elemek nagyobbak és kisebbek lettek annak megkülönböztetése érdekében, hogy az adott kábelen teljesítmény, vagy vezérlőjel megy. Az alábbi séma foglalja össze a részegységek közötti összeköttetéseket: kifejteni. A csatlakozásokat Connection 1-6 fedőnevekkel láttuk el. Ezeket fogjuk az alábbiakban 2.3.1. Connection 1 Az Amira teljesítményelektronika és a Quanser csatlakozópanel közötti összeköttetéseket foglalja össze. Ebbe az alábbiak tartoznak bele: - a vízszintes pozíció inkrementális adója (DIN) - az Amira részére a PC vezérlés engedélyezését kérő digitális jelsorozatot szállító szalagkábel (DIO) - a vízszintes mozgató sín vezérlését megvalósító feszültség beavatkozó jel (RCA) Az Amira oldaláról mindhárom jel egy közös csatlakozón indul, és összekötegelt kábelek formájában ér el a Quanser csatlakozópanelig, ahol háromfelé szétválva a fenti felsorolásban zárójelben megjelölt aljzatokba csatlakozik. 6
2.3.2. Connection 2 Hangfalkábel, amely a kötelet fel- és letekerő Maxon motort köti össze a hozzá tartozó teljesítményelektronikával (kép). Ezen kapja a motor az áramjelet, amely a nyomatékot állítja elő számára. A kábelnek 2.5 méter hosszúnak kellett lennie, hogy a kábelcsatornán átvezetve elérjen a darufejtől a teljesítményelektronikáig, amely a sín mögött található polcon van. 2.3.3. Connection 3 A Quanser csatlakozódobozát köti össze a fenti képen látható Maxon teljesítményelektronikával. Ezen továbbítódik a kötelet engedő motor részére a PC-ről kiadott feszültség vezérlőjel. A megvalósítása hangfalkábellel történt, amely RCA csatlakozóval csatlakozik a Quanser analóg kimenetére. A kábel hossza 4.5 méter. 2.3.4. Connection 4 A kötél hosszúságát mérő enkóder összeköttetése a Quanser enkóder bemenetével. A motor enkódere az alábbi kivezetéssel rendelkezik: 7
Ezt egy megfelelő csatlakozóval továbbvezettük egy 6 méter hosszú 10 szálas szalagkábel segítségével, majd a végére DIN csatlakozót forrasztottunk, amellyel a Quanser enkóder bemenetébe bedughatjuk. Az enkóder jelei közül a Vcc, Gnd, A, B, és I jeleket használjuk, a negált jeleket elhagyjuk. Ezeket a Quanser csatlakozó aljzatának lábkiosztása szerint csatlakoztatjuk, az alábbi kép szerint (a hím csatlakozóra a bekötés értelemszerűen tükrözve történt). A későbbi mérések során megállapítottuk, hogy a Maxon motor enkódere nem működik, így ezen az ágon nem tudtuk folytatni a munkát. 2.3.5. Connection 5 A mechanikus szögmérő enkóder csatlakoztatása a Quanser csatlakozódoboz enkóder bemenetéhez. Az enkóder kimenete 5 szálas szalagkábel az alábbi lábkiosztás szerint: Ez a kábel is 6 méter hosszú. Csatlakoztatása a Quanser-hez az előző enkóderrel megegyező módon DIN csatlakozóval történik. 8
2.3.6. Connection 6 A lézeres érzékelőhöz tartozik egy kiegészítő áramkör, amely feszültségszint-illesztő és tartószerv funkciókat lát el. Ez az áramkör a következő jelekkel kapcsolódik a gyorsprototípus eszközhöz: Gnd, Q1, Q2, CLR1, CLR2. Ez az áramkör is korábban a DSpace eszközzel volt használva, amelyhez már rendelkezésre állt egy D-Sub csatlakozó a jobb oldali képen látható lábkiosztással. Ezt a csatlakozót meghagytuk, hogy az eszközzel foglalkozó kolléga továbbra is használhassa a DSpace-re létrehozott rendszerét. Egy olyan kábelt terveztünk, amely segítségével ezek a jelek a Quanser-re is továbbvezethetőek. A másfél méter hosszú 16 szálas szalagkábel erre a D-Sub kábelvégre csatlakoztatható, és 2x8 pin-es csatlakozó formájában a Quanser digitális aljzataiba csatlakoztatható. A pin-ek kiosztását az alábbi ábrák mutatják: 9
3. A szoftveres irányítás megvalósítása A rendszer az alábbi szoftver komponensekből áll: - Matlab Simulink grafikus fejlesztői környezetével o Simulinkben készítettük el az algoritmust - WinCon o WinCon nevű programmal érjük el a Quanser Q8-at valósidőben Szenzor értékek megjelenítése Vezérlőjelek kiadása 3.1. Programozás A programozás Simulink alatt történt. Ennek a hagyományos elemeit ismertük, a Quanser által biztosított kiegészítők használatát pedig a felhasználói kézikönyvéből sajátítottuk el. Első lépésben az érzékelő jeleit akartuk megjeleníteni. Miután a vezetékezés kész lett az új rendszerhez, ez különösebb nehézség nélkül sikerült. A Quanser elemivel egyszerűen hozzáférhetünk a szenzorokhoz, csak a megfelelő dobozt kell elhelyezni és a paraméterének beírni, melyik I/O egységre van kötve. Az értékeket át kellett váltanunk SI mértékegységekre. Ez a legtöbb esetben egyszerű osztással történt, az arányossági tényezőt az adatlapról néztük. A sebességnél viszont több időpontban kellett mintavételeznünk a pozíciót, amikből pillanatnyi sebességet, azokból pedig átlagolással viszonylag zajmentes értéket kaptunk. Ezután következet az engedélyező jel előállítása. Az adatlapon található impulzust és négyszögjelet a megfelelő időzítési értékekkel, Dout1 és Dout2 digitális kimenetre kapcsolva már a mi programunk vezérelte a darut. 10
3.1.1. Feszültség szabályzás A legfontosabb lépés a maximális feszültség jel előállítása, amivel még biztonságosan mozog. Apró lépésenként állítva mi a +4 és -3,5V közötti intervallumot határoztuk meg. Ez a maximális ±10Vhoz képest jóval kisebb, érezzük, hogy a biztonsági szaturációt elhagyva veszélyes lenne a programunk az eszközre és a laborban tartózkodókra nézve egyaránt. Ezt a limitet minden esetben megtartottuk, nem kísérleteztünk nagyobb jellel. Az egyik irányba a daru nehezebben mozog, ezért van az aszimmetrikus tartomány. Feszültség szabályzás Erő [N] idő [10*ms] Pozíció [m] idő [10*ms] Sebesség [m/s] idő [10*ms] Kötél kitérése [rad] idő [10*ms] 11
3.1.2. Pozíció szabályzás Az eredményekkel együtt megkaptuk a legegyszerűbb szabályzónkat, a feszültség alapút. Következő lépésnek kicsit izgalmasabb és látványosabb feladatot tűztünk ki célul. Pozíció szabályzót szerettünk volna megvalósítani, ami egy egyszerű P szabályzóval sikerült is. A következőképpen működik. Az aktuális és az általunk elérni kívánt pozíciót figyelembe véve egy hiba jel áll elő, amit a megfelelő mértékben erősítve elindul a daru és addig mozog, amíg a hiba nulla nem lesz, tehát eléri a célját. Az erősítési értéket kísérletezéssel állítottuk be, amit biztonságosan megtehettünk a limitáló miatt. Ezzel a módszerrel körülbelül 4 centiméterenként lehet lépkedni. Ennél nagyobb pontosságot csak a szabályzó lassításával tudtunk volna elérni, mert a daru a tehetetlensége miatt mindig kicsit túllendül a pontos értéken, és ha nem hagyunk neki egy megfelelően nagy beállási tartományt, akkor egy pont körül elkezd rezegni. Pozíció szabályzás Erő [N] idő [10*ms] Pozíció [m] idő [10*ms] Sebesség [m/s] idő [10*ms] Kötél kitérése [rad] idő [10*ms] 12
3.1.3. Sebesség szabályzás Az utolsó implementált algoritmusunk egy PI szabályzó, amellyel a sebességet tudjuk előírni. A sín közepén nagyobb a súrlódás mint a szélén, ezért kissé pontatlanul működik, viszont ez a programnak a legösszetettebb része, így igen sokat tanultunk belőle. Sebesség szabályzás Erő [N] idő [10*ms] Pozíció [m] idő [10*ms] Sebesség [m/s] idő [10*ms] Kötél kitérése [rad] idő [10*ms] 13
3.2. Simulink Program: 3.2.1. Vezérlés engedélyezése - A számítógépről történő vezérléshez az alábbi jeleket kell kiküldeni a digitális porton 14
15
3.2.3. Érzékelők - Vízszintes pocizó o Az adatlapi adatok között megtalálható, hogy mennyi inkremens van métereként, ezért egy egyszerű szorzóval méterré tudjuk váltani o Koordinátatengely origója bal oldalt, jobbra nő o mértékegység: méter - kötél kilengésének szöge a vízszinteshez képest o Az adatlapi adatok között megtalálható, hogy mennyi inkremens van összesen, ezért egy egyszerű szorzóval radiánná tudjuk váltani o függőleges helyzetben -> 0 rad - Vízszintes erő o Adatlapból számolható, hogy a bemenő feszültséghez képest mekkora erőt ad ki a motor o lineáris kapcsolat o mértékegység: Newton - Vízszintes sebességmérő o A mintavételezési idő (10 ms) ötszőrösénél (subsystemben öt delay) mintavételezzük a pozíciót, így megkapjuk az út különbséget, amit 50 ms-mal osztva a sebességet adja o Ezt négyszer végezzük egymás után, amiket átlagolunk, hogy kisebb legyen a zaj o 0,2 másodperces késést visz a mérésbe o mértékegység: m/s - Kötélhelyzet o Nem implementáltuk <- rossz a szenzor 3.2.4. Vezérlés - Feszültséggel o legegyszerűbb o -1-es szorzó, hogy az irányok egyezzenek a koordinátarendszerünkkel o Korlátozva +-4V-nál biztonsági okokból - Pozíció 16
o P szabályzó o 0,04 méterenként lépked o Csúszka reprezentálja a sínt o Maximális beavatkozó jel korlátozva +-4V-nál biztonsági okokból - Sebesség o PI szabályzó o A sínen nem egyenletes a súrlódás -> nem pontos o Maximális sebesség korlátozva +-0,8 m/s-nál biztonsági okokból - Kötélhossza o Nem implementáltuk <- nem tudjuk szabályozni <- rossz a szenzor 3.3. WinCon A WinCon egy egyszerű kezelőfelületet biztosító szoftver, kevés beállítási lehetőséggel. Két részre lehet osztani a működését. Az egyik a szenzorok és bármilyen más kimeneti érték megjelenítése Scope-on vagy Multiméteren. Scope esetén lehetőség van az értékek exportálására Matlab-ba. Ennek segítségével a szabályzóinkat tesztelhettük illetve a paramétereik változtatásával pontosítottuk azokat. A program másik feladata a bementek vezérlése. Itt is gyakorlatilag bármelyik változó értékét módosíthatjuk valós időben. Az értékek megadására nincs túl sok lehetőség, a gui elég puritán, de a célnak megfelel. Mi csak vízszintes csúszkákat használtunk, de ezen kívül lehetőség van még függőleges csúszkára, potméterre vagy közvetlen érték bevitelre text mezőn keresztül. Először a három szabályzót közös felületen próbáltuk megvalósítani. Simulinkbe tettünk kapcsolókat, amit WinCon alatt kapcsolgathattunk. A megoldás működött, de néhány helyzetben túl nagy erőt fejtett ki a motor, ezért biztonsági okokból szétbontottuk három részre. Ez abból a szempontból is előnyösebb, hogy nem kellett minden apró Simulink változtatás után újra elkészítenünk a gui egészét, csak a szabályzónkra vonatkozó részt. 17
3.3.1. Kezelőfelületek - Közös - Feszültség - Pozíció - Sebesség 18
4. Egyéb próbálkozások, és lehetőségek a jövőre nézve 4.1. Irányítás gamepad segítségével A félév során megpróbálkoztunk azzal, hogy lehetővé tegyük a daru irányítását gamepad segítségével. Az elképzelés nem valósult meg, mert több szinten akadályba ütköztünk. A Quanser Q8-nak nincs olyan bemenete, amelyen képes lenne ilyen eszköz jeleit fogadni. A Simulinkben van olyan blokk, amely képes érzékelni a gamepad jeleit, ha az be van dugva a számítógép egyik USB portjába. Ez azonban csak szimulációban képes futni, real time alkalmazásként nem fordítható le a Quanser eszközre. Így az a megoldás maradna, hogy a gamepad jeleit valamilyen módon analóg jelekké alakítjuk, és ezt a Quanser analóg bemeneteibe vezetjük. Első gondolatunk az volt, hogy a PC hangkártya-kimenetére generálunk a gamepad-ből érkező jellel arányos jelet. Labview fejlesztői környezetben készítettünk egy VI-t, amely erre képes volt, azonban a megoldást mégis elvetettük, mert nem éri meg ekkora plusz erőforrásigény ráfordítása. Hiszen így még egy Labview-t is futtatni kellene a meglévő rendszerünk mellett, és így is csak egy jelet tudunk kiadni a hangkártya kimenetére. A daru értelmes irányításához több jel kell. A gamepad-es irányítás lehetőségét nem vetettük el teljesen. Megoldást jelenthet akár egy áramkör készítése, amely a gamepad jeleit feldolgozza, és megfelelő formában tovább vezeti azt. Ehhez azonban alaposabban bele kellene ásni magunkat a gamepad működésébe. Mivel ez nem kapcsolódott szorosan a mi témánkhoz, nem kezdtünk el ennyire részletesen foglalkozni vele. A téma az utókor számára nyitva áll. 19
4.2. Egyéb lehetőségek A kötél hosszát mérő szenzorunk nem működött, és nem is tudtuk semmi mással pótolni azt, így erre nem tudtunk szabályozást megvalósítani. Nagy reményeket táplálunk, hogy a jövőben kaphatunk egy új szenzort, amely lehetővé teszi, hogy munkánknak ezt a részét is elvégezzük. Reményeink szerint a real-time alkalmazásunkat futtató szoftverkörnyezetet is modernebbre tudjuk majd cserélni, és az új szoftverrel sokkal több lehetőség nyílik meg előttünk: akár még a gamepad egyszerű csatlakoztatását is lehetővé teheti. Az eddig érintetlen feladatok között van még a lézerkapuk jeleinek feldolgozása, és a kötél kilengési szögének szabályozása. Utóbbival az MSc-s kollégák foglalkoznak, de mi is örömmel nyújtunk hozzá támogatást, ha tudunk. Ezen kívül ne feledjük el, hogy témánk eredeti célja a darukezelő személyzet ergonómiai szempontjainak figyelembe vétele, munkájának könnyítése volt. Ez a félév során nem valósult meg, de bízunk benne, hogy később ezen a téren is sikerül majd haladást elérni. 20