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Labormodelle

Projekt Segway auf NXT Basis

Für die Bearbeitung unterschiedlicher Problemstellungen stehen im Labor verschiedene Modelle zur Verfügung.

Von der mathematischen Modellbildung über den Entwurf eines gegeigneten Reglers bis zur Ankopplung der realen Labormodelle sind Kenntnisse in verschiedenen Bereichen erforderlich.

Zur Lösung von zeitkritischen Regelungen werden zudem Programmierkenntnisse im Echtzeitbereich benötigt.

Kugel-Rad Modell

Labormodel "Kugel-Rad"
Das Labormodell "Kugel-Rad" balanciert einen Ball auf einer Fahrrad-Felge, die senkrecht stehend durch einen Motor über einen Zahnriemen angetrieben wird. Die Position des Balls wird mit einem auf der Oberseite des Modells angebrachten optischen Sensor erfasst, der den Abstand des Balls zum Sensor ermittelt. Über eine Multi-I/O-Karte werden die Abstandswerte eingelesen und zum Beispiel mit Hilfe eines Fuzzy-Reglers die Drehmomentvorgabe des Motors am Modell angelegt. Der Regler sowie die Benutzerschnittstelle sind aktuell mit LabView implementiert.

Optische Lageregelung

Labormodell "Optische Lageregelung"
Balance zu halten ist für den Menschen eine einfache wie selbstverständliche Fähigkeit, da er sie bereits in den ersten Lebensjahren erlernt. Im automatisierten Umfeld wird oft ebenfalls eine solche Lageregelung gefordert. Hier zeigt sich jedoch schnell wie schwierig dies regelungstechnisch zu realisieren ist. Das optisch geführte Lageregelsystem nutzt eine Kamera um die Reaktion einer Kugel auf einer mit Schrittmotoren auslenkbaren XY-Ebene zu beobachten. Zur Lösung der Aufgabe, eine Kugel auf einer vorgebebenen Bahn auf der Ebene zu bewegen, wird z.B. eine fuzzybasierte Regelung verwendet.

Drei-Tank Modell

Labormodell "Drei-Tank"
Das Labormodell "Drei-Tank" besteht aus drei zylinderförmigen Tanksäulen von denen die beiden äußeren mit zwei Pumpen unabhängig voneinander befüllt werden können. Jeder Tank hat eine Höhe von ca. 70 cm, einen Innendurchmesser von 14 cm und ein mittig verlaufendes Füllrohr. Bei dem maximalen Füllstand von 63 cm befinden sind ca. 9 l Wasser im Tank. Die Tanks können durch manuelle Stellventile verbunden oder getrennt werden und über weitere Stellventile in ein Wasserreservoir abgelassen werden. Durch Schliessen der Stellventile zwischen zwei Tanks kann eine Verstopfung simuliert werden, durch das Ablassen kann eine Leckage an den Tanks simuliert werden. Das 1.51 m lange Modell besitzt ein Wasserreservoir mit einem Fassungsvermögen von 52 l. Ein Steuergerät stellt über eine Multi-I/O-Karte die Verbindung zwischen dem Modell und einem PC her.

Torhüter/Torjäger-Modell

Labormodell "Torhüter/Torjäger"
Das Labormodell "Torhüter/Torjäger" ermöglicht eine wissensbasierte Regelung eines Torhüters/Torjägers. Dies erfordert die Approximation der Flugbahn aus mehreren 3D-Raumkoordinaten des in Richtung des Torhüters fliegenden Balles. Die Bestimmung dieser Raumkoordinaten erfolgt mit Hilfe zweier konvergent ausgerichteter Industriekameras der Firma MATRIX VISION. Die Rekonstruktion von 3D-Raumkoordinaten aus zwei Blickwinkeln erfordert insbesondere die zeitgleiche Bildaufnahme der Kameras. Aus den synchronen Momentaufnahmen wird eine räumliche Zuordnung des Balles berechnet und der Torhüter entsprechend der berechneten Flugbahn so angesteuert, dass er den Ball abwehren kann. Der Torjäger ist auf einem Linearschlitten frei verfahrbar und mit diversen Servos drehbar. Der Abstand zum Ball sowie die Schussstärke des Torjägers sind ebenfalls über einen Mikrocontroller automatisch oder manuell einstellbar.

Kugelfall-Modell

Labormodel "Kugelfall"
Das Modell "Kugelfall" besteht aus einer horizontal rotierenden Metallscheibe mit einstellbarer Geschwindigkeit, in der sich an der Außenseite ein schlitzartiges Loch befindet. Ein Sensor detektiert bei jeder Umdrehung der Scheibe die genaue Lage des Loches und übermittelt diese Information an einen Rechner. Oberhalb der Scheibe befindet sich ein vertikaler Linearantrieb als Aufzug. Der Aufzug ermöglicht es, einen horizontalen Ausleger auf eine einstellbare Höhe hochzuziehen. Am Ende des Auslegers befindet sich ein Elektromagnet der eine Metallkugel aufnehmen und mit dem Aufzug auf eine vom Rechner vorgegebene Höhe hochzieht. Aufgabe ist es nun einen optimalen Zeitpunkt zu berechnen, so dass die Metallkugel durch den rotierenden Schlitz in der Metallscheibe durchfällt. Die Fallhöhe und der exakte Fallbeginn sind mit den vorhandenen Sensoren und Aktoren zu lösen. Eine grafische Benutzeroberfläche zur Erfassung der Benutzereingaben und zur Visualisierung des Modells gehören genauso dazu wie die hardwarenahe Ansteuerung der Hardware.

Mikrocontroller Schnittstellenmodul

Selbst entwickeltes PICUSB-Board
Um technische Prozesse mit Standardhardware steuern oder regeln zu können wird oft eine zusätzliche Hardware benötigt. Heute steckt ein Großteil der benötigten Elektronikkomponenten in Mikrocontrollern. Die Ansteuerung unserer Labormodelle erfordert immer mehr auch den Einsatz von individuell programmierten Microcontrollern. Ein zusätzlicher Vorteil ist die Möglichkeit der Signal-Vorverarbeitung sowie der Protokollumsetzung. Für unsere speziellen Anforderungen setzen wir immer öfter micocontrollerbasierte Eigenentwicklungen wie das abgebildete PICUSB-Board ein.


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