Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo ...Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 1 1 UVOD Danes, v 21. stoletju, imajo ljudje dober razlog,

Kristina Trajkovska

Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida

Diplomsko delo

Maribor, september 2013

II

Diplomsko delo univerzitetnega – visokošolskega strokovnega študijskega programa


Študent: Kristina Trajkovska

Študijski program: UN ŠP 1. stopnje Mehatronika

Mentor FERI: red. prof. dr. Riko Šafarič

Mentor FS: izr. prof. dr. Karl Gotlih

Lektor(ica): Darinka Verdonik

III

IV

V

VI

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorjema red. prof. dr. Riku

Šafariču in izr. prof. dr. Karlu Gotlihu za pomoč

in vodenje pri nastajanju diplomskega dela.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi

omogočili študij in so bili potrpežljivi ter me

podpirali, kadar sem imela težave.

VII

VIII


Ključne besede: robotika, robotski vid, regulator, krmiljenje servopogona UDK: 681.5:007.52(043.2)

Povzetek V diplomskem delu je predstavljen celotni mehanizem stereo računalniškega vida,

obstoječi sistem prototipa in njegova izboljšava. Cilj je bil izdelati ustrezen, po

pospeških, hitrostih in moči servopogon prve osi robota, ki deluje kot naprava za

pravilno orientacijo invalidskega vozička v prostoru. Opisana je strojna in programska

oprema. Diploma vsebuje še konstruiranje komponent prve osi v CAD programu Catia,

postopke načrtovanja PID regulatorja za prvo os v programu Matlab in analizo

dobljenih rezultatov.

IX

X

First Axis of Servo-Drive Implementation for Stereo Computer Vision

System

Key words: robotics, robot vision, regulator, control of servo-drive

UDK: 681.5:007.52(043.2)

Abstract

This thesis presents the entire mechanism of a stereo computer vision system, the

current prototype system and its improvement. The aim is to create a servo-drive of the

first axis of the robot, which acts as a device for a proper orientation of a wheelchair in

the space, regarding its acceleration, speed and power. The thesis describes the

hardware and the software equipment. In addition, it contains the construction of the

components in the Catia CAD program, planning procedures and simulation of the PID

controller in the Matlab program, and the analysis of the obtained results.

XI

XII

VSEBINA

1 UVOD ...................................................................................................................... 1

2 PREDSTAVITEV SISTEMA IN GRADNJE STEREO RAČUNALNIŠKEGA

VIDA ................................................................................................................................ 3

2.1 MEHANIZEM ...................................................................................................... 3

Motorji.......................................................................................................................4

2.2 ELEKTRONSKI DELI ............................................................................................ 6

Napajalnik ................................................................................................................. 6

Kartice za krmiljene motorja .................................................................................... 7

Brezkontaktna končna stikala ................................................................................... 8

Kartica integracije..................................................................................................... 9

Krmilnik NI – PXI 7354 ......................................................................................... 10

Kamere.................................................................................................................... 11

2.3 PROGRAMSKA OPREMA .................................................................................... 12

3 IZDELAVA PRVE OSI SERVOPOGONA STEREO RAČUNALNIŠKEGA

VIDA S CAD PROGRAMOM CATIA IN MATLAB REGULACIJA PRVE OSI

MEHANIZMA .............................................................................................................. 16

3.1 IZDELAVA SERVOPOGONA PRVE OSI ROBOTSKEGA PROTOTIPA S CAD

PROGRAMOM CATIA .................................................................................................. 16

3.2 MATLAB SIMULACIJA ZA PRVO OS SERVOPOGONA STEREO RAČUNALNIŠKEGA

VIDA............. ............................................................................................................... 21

3.3 NAČRTOVANJE PID-REGULATORJA S POMOČJO BODEJEVEGA DIAGRAMA ....... 24

3.4 IZVEDBA SIMULACIJE PID-REGULATORJA ZA PRVO OS .................................... 25

4 ZAKLJUČEK ....................................................................................................... 32

5 VIRI, LITERATURA ........................................................................................... 33

6 PRILOGE .............................................................................................................. 36

6.1 SEZNAM SLIK ................................................................................................... 44

XIII

6.2 SEZNAM PREGLEDNIC ...................................................................................... 45

6.3 NASLOV ŠTUDENTA ......................................................................................... 45

6.4 KRATEK ŽIVLJENJEPIS...................................................................................... 46

XIV

UPORABLJENI SIMBOLI

i -prestavno razmerje

Z1 -število zob pastorka

Z2 -število zob zobnika

Ua -napetost na motorju

Jm -vztrajnostni moment rotorja motorja

Jb -vztrajnostni moment bremena

Jp -vztrajnostni moment z upoštevanim reduktorjem

ia -tok na motorju

mω -hitrost motorja

Fmot(s) -prenosna funkcija motorja

Fr(s) -prenosna funkcija regulatorja

Kd -parameter diferencialnega dela

Kp -parameter proporcionalnega dela

Kt -parameter integralnega dela

K -konstanta regulatorja

Tt -časovna konstanta regulatorja

rezϕ -fazna rezerva

Apr -maksimalni prenihaj

F0(s) -prenosna funkcija odprte regulacijske zanke

XV

UPORABLJENE KRATICE

NI -National Instruments

PXI -PCI eXtensions for Instrumentation

DC motor -Direct Current motor

PVC -Poly – Vinyl Chloride (Polivinil klorid)

PCI -Peripheral Component Interconnect

NT/XP -Operacijska sistema proizvajalca Microsoft

IEEE -Institute of Electrical and Electronics Engineering

Mbps -Megabits per second (Megabitov v sekundi)

LabVIEW -Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench

NC krmiljenje -Numerical Control (Numerično krmiljenje)

MAX -Measurement and Automation Explorer

CAD -Computer Aided Design

CATIA -Computer Aided Three – dimensional Interactive Application

MATLAB -Matrix laboratory

PID regulator -Proporcialno-Integralni Diferencialni regulator

Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 1

1 UVOD

Danes, v 21. stoletju, imajo ljudje dober razlog, da so ponosni na svoje edinstvene dosežke.

Predznanje je omogočilo ljudem, da ustvarijo nove stvari, da iznajdejo orodja in tehnike, ki

jih bodo uporabili za realizacijo nadaljnjih, še bolj čudovitih idej. Mnoga znanstvena

prizadevanja so postala možna s pomočjo tehnologije, ki včasih ni bila dosegljiva – od

lažje dostopnosti v oddaljene kraje do možnosti, da raziskujemo naravo vesolja

podrobneje, kot omogočajo naša naravna čutila. Robotika je hitro rastoče področje, ki s

tehnološkim napredkom nadaljuje raziskave, projektiranja in gradnjo novih robotov za

različne praktične namene. Avtomobilska industrija je polna robotov, ki izvajajo naloge, ki

so pogosto pretežke, da bi jih izpolnili ljudje. Predvsem velike montažne linije in

proizvodna podjetja so upravljana s strani robotov namesto ljudi. Medicina ne more

pravilno in hitro funkcionirati brez prisotnosti robotike. Ljudje z amputirano nogo zdaj

doživljajo veličino ali moč robotike z novooblikovanimi udi, ki se lahko odzivajo na

občutke in pritisk, kot se odzovejo dejanski človeški udi, skupaj z živci.

V Laboratoriju za kognitivne sisteme v mehatroniki na Fakulteti za elektrotehniko,

računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru se izvajajo številne različne

raziskovalne naloge. Nekatere med njimi so: Vizualno vodena robotska roka z nevronskimi

montažami, Mikrorobot, Telerobotski vmesniki za komunikacijo človek-stroj, Nanorobot,

Gradnja e-izobraževalnega portala. Izdelan je tudi prototip robotskega mehanizma stereo

računalniškega vida, ki si prizadeva za pravilno usmerjanje invalidskega vozička za

tetraplegike [9][10] v prostoru in je tako odprl možnost vodenja istega vozička s pomočjo

glasovnega nadzora. Kot podlaga je že izdelan prototip laboratorijske naprave, ki vključuje

dve kameri, nameščeni na točno določeni medsebojni razdalji, ki služita kot očesi za

ugotavljanje zajema dvodimenzionalne slike, s čimer poskušamo ugotoviti, kako daleč je

nek predmet oddaljen od kamere stereo računalniškega vida.

Cilj modela je bil preizkusiti, kakšne meje ima sistem robotskega vida, in združiti strojno

opremo z računalnikom. Pri raziskavi za diplomsko nalogo smo prišli do zaključka, da

pogon prve osi ni dosegal zahtevanih pospeškov in da je prešibak. Zato smo se lotili

optimizacije za povečavo hitrosti in izdelave servopogona prve osi mehanizma stereo

računalniškega vida, kar je tudi namen pričujočega diplomskega dela.


Mehanizem stereo računalniškega vida je prvi del, s katerim bomo opisali obstoječi sistem

robota. Predstavili bomo konstrukcijo, glede na preračune nabavo sestavnih komponent,

elektronske kartice, s katerimi testiramo osi, krmilnik NI PXI-7354, induktivne senzorje,

na kakšen način programiramo in kako izboljšamo sistem ter dosežemo cilje diplomske

naloge. V nadaljevanju bomo s Catio, ki je CAD program, prikazali oblikovanje nekaterih

sestavnih delov naprave, izvajanje in izdelavo robotskega stereovida ter tudi njegove

izboljšave. Naslednje poglavje pokaže regulacijo s pomočjo programskega paketa

LabVIEW. Diagram vodenja v LabVIEWju poteka na tak način, da opisuje aplikacije,

primerne za realizacijo zahtev prototipa. Rezultati odziva regulacijskega sistema morajo

pokazati določanje hitrosti z ustreznimi pospeški in gibanje položaja prve osi motorja za

pol obrata v cca 0,5 sekunde po PTP profilu hitrosti. Na koncu je opisano lastno delo ter

predlogi za nadaljnje delo na tem sistemu.


2 PREDSTAVITEV SISTEMA IN GRADNJE STEREO RAČUNALNIŠKEGA VIDA

Mehanizem robotskega stereovida se je razvil na osnovi gibanja človeške glave,

pravzaprav gibov, ki so omogočeni zaradi oči in vratu. Obstoječi sistem je zgrajen iz dveh

kamer, ki imata vnaprej določeno razdaljo druga od druge. Pomembno je, da merita

razdaljo do elementa in sledita njegovi poti premikanja. Ostali pripadajoči deli modela so:

krmilnik NI PXI – 7534, štirje DC-motorji in njihovi elektronski deli, senzorji ter

računalnik, ki služi kot napajalnik, ki je potreben za regulacijo.

Slika 2.1: Mehanizem prototipa robota

2.1 Mehanizem

Smer gibanja našega računalniškega vida in njegov mehanizem sta oblikovana po

smiselnem gibanju človeka, torej tem, kar človek dela s svojimi občutki – očmi in vratnimi

mišicami. Vlogo vida imata v tem primeru dve kameri, ki sta programirani za hkratno

premikanje v isti smeri. Model robota bomo regulirali v štirih smereh s pomočjo štirih osi,

upravljanih s servomotorji ESCAP 28D2R. Tako kot tudi vratne mišice omogočajo obrate

v levo in desno, najprej prvo os v tem sistemu postavimo navpično. Ta postavitev omogoča

takšno gibanje na isti način, dokler se druge osi gibajo okrog nje. Druga os ima obratno,


vodoravno pozicijo glede na prvo os, medtem ko ostale rotirajo okoli nje. Te gibe na drugi

osi lahko primerjamo z omogočanjem gibanja glave gor – dol, kot to delajo vratne mišice.

Kamere in njihov položaj so odvisni od tretje in četrte osi, ki stojita pravokotno na drugo

os, na točno opredeljeni razdalji od prve osi. Slika 2.2 pojasnjuje zgoraj navedeno:

Slika 2.2: Primerjava stereo računalniškega vida s človeško glavo

- Motorji Delovanje mehanizma je opravljeno s štirimi DC servomotorji, ki imajo reduktor in so z

nosilci pritrjeni na robota. Združeni so z zobniki, skladno nameščenimi in z zanesljivim

delovanjem. Določili smo jih na podlagi dobrih materialnih lastnosti in nizke cene.

Dodatna ugodnost je tudi na motorje vgrajen inkrementalni dajalnik položaja. Drugo, tretjo

in četrto os vrtijo enosmerni motorji podjetja PORTESCAP, tip 28D11 219P, na katerih se

nahaja dajalnik položaja.[9] Tabela 2.1 prikazuje informacije o motorjih:

Tabela 2.1: Podatki PORTESCAP DC motorjev

Podatek Opis Vrednost UaN Nazivna napetost 12 V nN Nazivni vrtljaji 5800 min-1

Imax Maksimalni tok 1,5 A P Moč 15 W Ra Upornost navitja 2,5 Ω La Induktivnost navitja 300 μH


M Masa 190 g N Resolucija inkrementalnega dajalnika 144 Jm Vztrajnostni moment 17,6e-7 kgm2

Km Konstanta navora 1,95e-2 Nm/A Tm Mehanska časovna konstanta 12 ms P Moč 15 W I0 Tok prostega teka 44 mA B Viskozno trenje 1e-6 Nms/rad M Masa 190 g

Za pomikanje osi so potrebni tudi zobniki. Pastorek z 19 zobmi je postavljen na motor,

zobnik pa ima 173 zob in skupaj oblikujeta zobniško dvojico. Na osi (drugo, tretjo in

četrto) namestimo reduktorje, ki jih najdemo na DC motorjih in jih oblikujemo z

zobniškimi dvojicami. Vse te informacije nam omogočajo izračun prestavnega razmerja. Iz

enačbe (2.1) smo ugotovili prestavno razmerje 9,1.

Slika 2.3: Enosmerni motor z reduktorjem

2

1

173 9,119

ZiZ

= = = (2.1)

Gravitacija je vzrok pojavljanja velikih navorov, zaradi česar je bilo treba prilagoditi

prestavno razmerje, da ustreza obratovalnim pogojem. Predhodnih preračunov ne moremo

upoštevati, saj smo ugotovili, da je na prvi osi prestavno razmerje premajhno, in smo ga

zamenjali z večjim. Trenutni položaj (slika 2.4) zadošča namenu mehanizma stereo

računalniškega vida.


Slika 2.4: Enosmerni motor skupaj z reduktorjem na prvi osi

Zato smo poskrbeli, da dobimo višjo prestavo. Namestili smo zobniški reduktor z več

stopnjami in s prestavnim razmerjem 20, potem smo priključili reduktor z jermenom s

prestavnim razmerjem 5, in tako smo sestavili trenutno uporabljeni servomotor. Podatki

novega motorja so v tabeli (2.2):

Tabela 2.2: Del podatkov novega motorja (WEEE DE28001718) za prvo os

Podatek Opis Vrednost UaN Nazivna napetost 12 V nN1 Nazivni vrtljaji na gredi motorja 6200 min-1

nN2 Nazivni vrtljaji na gredi rotorja 310 min-1 Imax Maksimalni tok 0,7 A Ra Upornost navitja 18 Ω I Prestava jermenskega reduktorja 5

2.2 Elektronski deli

Napajalnik

Iz nekdanjega računalniškega napajalnika smo ustvarili 400W napajalnik za dovod

električne energije. Za ta napajalnik smo se odločili, ker omogoča sistemu uspešno

izpolnitev vseh nalog, ki jih robot potrebuje za napajanje, bolje pa smo si tudi porazdelili

čas in vložili v ostale zahteve te naloge energijo, ki bi jo sicer porabili za izdelavo novega

napajalnika [2].


Napajalnika samega nismo spreminjali, ampak smo zamenjali metode vklapljanja[2]. V

klasičnem računalniku se vklop vzpostavi s plošče sistema. Žico smo povezali na maso,

tam, kjer se nahaja mesto za vodenje, pa smo dodali še stikalo za preprečitev neposrednega

napajanja iz omrežja. Vse ločene komponente so napajane z drugačnimi napetostmi, zato

smo jih povezali in združili z maso. S PVC-folijo[6] smo osnovno ohišje napajalnika

zaradi varnosti zaščitili pred stikom, da ne bi povzročili motnje med elektronskimi

sestavnimi deli napajalnika in ostalim delom izdelka, ki je zgrajen iz aluminija.

Na sliki (2.5) je napajalnik za potrebne napetosti : +12 V, –12 V, +5 V.

Slika 2.5: Napajalnik

Kartice za krmiljene motorja

Krmiljenje motorja, izvedeno s krmilno kartico, je zelo pomembna komponenta robotskega

vida. Če hočemo konvertirati analogno sporočilo motorja, potrebujemo kartico, ki ga

poganja, in to krmiljenje motorja sprejme signale, poslane iz računalnika, v obsegu 0–10

V. Vsak motorček ima kartico, tako da so izkoriščene vse štiri kartice, ki smo jih ustvarili

na naši fakulteti.

Del kartice, ki služi za povzročanje gibanja s pomočjo moči, izhaja iz analognega PI-

regulatorja. Obstaja še en del, ki se uporablja za obdelavo signalov iz inkrementalnega

dajalnika, tako da dobimo potrebne lastnosti signalov in odpravimo nepravilnosti le-teh, saj

krmilnik razbira pravokotne signale, dajalnik pa oddaja sinusne.


Slika 2.6: Kartica za krmiljenje motorja

Brezkontaktna končna stikala

Uporabljeni sta bili dve varianti senzorjev:

- induktivni senzorji (slika 2.7, leva stran)

- magnetni senzorji (slika 2.7, desna stran)

Začetno in končno lego osi sistema razberejo končna stikala. Robot potrebuje

brezkontaktna, induktivna stikala. Induktivna stikala smo izbrali zaradi velike razširjenosti

v industriji in zaradi lastnosti, kot so odpornost na kemične reakcije ter tudi stabilnost.

Potem smo nadomestili vezje z drugačnimi brezkontaktnimi stikali, ki imajo primerljive

značilnosti, napetost (12 V) in preklopno delovanje. Novoizbrani izdelek sta z relativno

nizko ceno magnetna senzorja, s katerima smo zamenjali induktivne senzorje. Razlog za

zamenjavo je bila porušitev stabilnosti regulacije položaja pri zapletanju kablov

induktivnih senzorjev ter še nekateri zunanji vplivi.

Napetosti digitalnega vhoda krmilnika so od 0 do 5 V. Vezje zagotavlja ustrezen prehod

med signali iz končnih stikal in ureja napetost. V naslednjem poglavju je to vezje obširneje

razloženo.


Slika 2.7: Induktivna in magnetna brezkontaktna končna stikala

Kartica integracije

Ustvarili smo povezavo iz računalnika na kartico, pri čemer smo vse komponente združili

skupaj ter na vsako komponento priključili napetost. Obvezni signali morajo s pomočjo

dveh konektorjev prihajati do računalnika in nazaj do mehanizma robota. To tudi omogoča

integracijo napajalnika in računalnika [7].

Slika 2.8: Kartica integracije


Krmilnik NI – PXI 7354

Da podatki prihajajo iz inkrementalnega dajalnika ali iz končnih stikal celotnega sistema

mehanizma prototipa, pa tudi vodenje in regulacijsko pozicijo sistema, omogoča krmilnik,

proizveden s strani National Instruments, NI – PXI 7354 (slika 2.9)[4][5]. PXI (PCI

eXtensions for Instrumentation) je ena izmed najbolj uporabljanih modularnih elektronskih

instrumentacijskih platform, ki so trenutno na trgu. Te platforme se uporabljajo kot

podlaga za gradnjo testne elektronske opreme, kot so sistemi za avtomatizacijo, modularni

laboratorijski instrumenti na področju znanosti in podobno. Izvajajo postopek za

ugotavljanje določenih lastnosti, merijo in pridobivajo mehanske ter električne signale.

Pogosto so moduli opremljeni tudi za upravljanje sistema s programsko opremo in s

krmilnikom.

PXI sestavljajo:

- okvir

- krmilnik sistema

- periferni moduli

Kartica verodostojno in pravilno krmili motor sistema. Dobra prilagodljivost kartice

zagotavlja sočasno povezavo in vodenje motorjev v robotu. Atribut krmilnika NI je njegov

dvoprocesor, ki izvaja regulacijo v realnem času, pridobiva informacije in kontaktira z

zunanjim okoljem. Krmilnik služi kot visokozmogljivi regulator in krmili vse štiri osi.

Regulator deluje idealno v realnem času s programom LabView (Real-time module) in z

Windows Vista / NT/XP[6]. Značilnosti NI – PXI 7354 so:

- 64 digitalnih vhodnih ali izhodnih mest

- 8 kanalov s 16-bitnimi analognimi vhodi ali izhodi

- 3D krožna in linearna interpolacija


Slika 2.9: Krmilnik NI PXI-7354

Kamere

Kamere so sestavni del našega robota. Njihov proizvajalec je podjetje Unibrain. Kot smo

že omenili, kameri uporabljamo kot očesi za stereo vid. Opravljata funkcije po standardu

IEEE 1394 (FireWire). Vmesnik IEEE 1394 je standard za hitro komunikacijo po

serijskem vodilu med elektronskimi napravami in se uporablja za prenos podatkov v

realnem času [14]. Najpogosteje se uporablja za priključitev perifernih naprav na osebne

računalnike in računalnike Apple Macintosh ter za prenos digitalnih avdio in video

signalov, tudi v letalski in avtomobilski industriji. Vmesnik je poznan tudi pod blagovnimi

znamkami FireWire (Apple), i.Link (Sony) in Lynx (Texas Instruments) [14].

Pasovno širino ima od 400 do 3200 Mbit/s, kar omogoča hiter prenos informacij, zato se

skrajšuje čas dela procesorja. Napajamo ga preko priključka IEEE 1394. Povezavo z

računalnikom ustvarimo z vstavljanjem FireWire kartice v njegovo notranjost. Kamera

nima plastičnega ohišja, zato je robot lažji in obratuje z majhnimi vztrajnostnimi momenti

na oseh. Problem kamere pa je bil opažen v zapletanju žic za napajanje in povezavi z

računalnikom v ostale dele robota.


Slika 2.10: Kamera Fire-iTM

2.3 Programska oprema

- LabVIEW

- Measurement & Automation Explorer (MAX)

LabVIEW [11] (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)

LabVIEW je sistem, ki oblikuje platformo in razvojno okolje s serijskim vizualnim

programskim jezikom National Instruments. Vsebuje še modul NI Motion za vodenje

servomotorjev in usmerjanje preklopov ter NI Vision za preučevanje in spremljanje

posnetkov ali fotografij. LabVIEW se pogosto uporablja za pridobivanje podatkov,

različne raziskave, nadzor instrumentov in industrijsko avtomatizacijo na različnih

platformah vključno z okoljem Microsot Windows kot tudi za različne verzije UNIX-a,

Linux-a in Mac OS X-a.

Način programiranja v sistemu LabVIEW:

- Programiramo s pomočjo grafičnih blokov, ki jih na koncu združimo v programsko

celoto.

- Pričnemo z bloki, ki sprejemajo podatke iz zunanjega okolja.


- Računske operacije in odčitavo obdelane informacije opravimo in določimo v

bloku za to področje.

- Nadaljujemo in končamo z bloki, ki sporočijo predelane informacije modulu na

periferiji.

LabVIEW je s svojo funkcionalnostjo primeren za gradnjo navideznih, virtualnih orodij,

opremljenih s strojno in programsko opremo. Sestavljen je iz dveh delovnih okolij:

- V prvem okolju imamo ploščo (slika 2.11), ki omogoča medsebojno vmesniško

delovanje. Ta del sistema je zelo enostaven in daje že dokaj realen pogled na

dogajanje v sistemu. Program LabVIEW ima vstopno-izstopni del, veliko zbirko

nadzornih ukazov in indikatorjev, mesto za vpis besed in blokovne diagrame,

obdela informacije in jih hkrati grafično prikaže.

Slika 2.11: Čelna plošča v programskem okolju programa LabVIEW

- G-koda je skupno ime za najpogosteje uporabljeno krmiljenje (NC) in je

programski jezik, ki ima veliko izvedb. Uporablja se pretežno v avtomatizaciji kot

del računalniško podprtega inženiringa. G-koda je jezik, s katerim ljudje

računalniško krmilijo stroje in orodje ter tako podajajo ukaze za izdelavo. Ukazi za

izdelavo vsebujejo podatke o izhodišču sistema, hitrosti premikanja in določitvi


poti. Prikazan je kot blok diagram (slika 2.12). Tukaj so navedeni podatki o na

začetku omenjenem NI Motionu, knjižnica za funkcije, kako programirati motorje,

in NI Vision za raziskave ter analize avdio podatkov in posnetkov.

Slika 2.12: Blok diagram v programu LabVIEW

Measurement & Automation Explorer (MAX) (Slika 2.13)

MAX omogoča dostop do: National Instruments CAN, DAQ, FieldPoint, GRIB, IMAQ,

IVI, Modularni instrumenti, Motion, NI Swich Executive, VI Logger, VISA in VXI

naprave. S programom MAX lahko:

- oblikujemo svojo National Instruments strojno in programsko opremo

- ustvarjamo in urejamo kanale, naloge, vmesnike, lestvice in virtualne instrumente

- izvedemo diagnostiko sistema in zaženemo testne plošče

- si ogledamo naprave in instrumente, povezane z našim sistemom

- posodobimo svojo programsko opremo National Instruments

Max se namesti tudi samodejno z opremo National Instruments in se montira na program

LabVIEW.


Slika 2.13: Measurement & Automation Explorer (MAX)

Krmiljenje stereo računalniškega vida je že bilo doseženo v povezavi s programsko

opremo MAX (Measurements and Automotion Explorer), preko česar je bila vodena vsaka

os motorja. Spremembe uporabe programske opreme so nastale po optimizaciji postavitev

osi, ko smo prešli iz kombinirane uporabe programa MAX in LabVIEW le na LabVIEW

(pred spremembo je MAX naložil kodo in podatke posameznih osi v okolje LabViewja).

Programiramo v diagramu stanja (LabVIEW), iz česar smo razbrali jasnejši potek in

postopke programiranja [3][5]. Ob tem je tudi za krmiljenje računalnika vgrajena kartica

NI – PXI 7534 [4].

Postopki programiranja v diagramu stanja:

- parametrizacija (Parameterization) – ugotavljanje parametrov

- inicializacija (Initialization) – ponastavitve dejanskih in referenčnih položajev

- izvajanje premikov (Implementation of a Movement)

- zaustavljanje (Stop)


3 IZDELAVA PRVE OSI SERVOPOGONA STEREO

RAČUNALNIŠKEGA VIDA S CAD PROGRAMOM CATIA IN

MATLAB REGULACIJA PRVE OSI MEHANIZMA

Pri analizi robota smo ugotovili, da je gonilo za manevriranje prve osi prešibko[6], zato

smo na robota namestili nov motor, ki ima boljše lastnosti. Nov motor je hitrejši, skupaj z

jermenskim reduktorjem pa ima tudi višje prestavno razmerje. Na prvi osi smo ohranili

prejšnji ESCAP motor, vendar ga uporabljamo le kot inkrementalni dajalnik, ne za pogon.

Kasneje se je pokazalo tudi, da je treba zamenjati končna stikala, in sicer pokvarjena

induktivna stikala z REED magnetnimi stikali[1]. V tem delu bo predstavljeno modeliranje

mehanizma za pogon prve osi ter načrtovanje in krmiljenje regulatorja PID za prvo os.

Podatki, ki so bili pridobljeni iz prejšnje diplomske naloge [6] so bili uporabljeni kot

podlaga za nadaljnje izboljšave, analizo in naše dosežke, ki so bili aplicirani na robotu.

3.1 Izdelava servopogona prve osi robotskega prototipa s CAD programom CATIA

Prvo os mehanizma robotskega vida smo modelirali v programskem okolju Catia V5, ki je

proizvod podjetja Dassault Systemsin in je zaradi svoje enostavnosti ter funkcionalnosti v

industriji precej razširjen program. Prav tako poleg modeliranja omogoča izračune mas za

posamezne komponente, trdnostne preračune komponent ter tudi preračun vztrajnostnih

momentov. Najprej smo zmodelirali posamezne komponente robota, kar smo naredili v

okolju Part Design, kjer smo lahko tudi točneje določili vse dimenzije posameznih delov in

material posameznih delov. Nato smo te posamezne dele združili v okolju Assembly

Design, kjer smo lahko določili korelacije med posameznimi komponentami in jih, če je

bilo potrebno dodelali, da so ustrezale celotnemu sestavu novonastalega pogona. Na sliki

(3.1) je prikazan celoten model robota, ki že nakazuje končno obliko dejanskega izdelka.


Slika 3.1: Celoten model robota, izrisan v CAD programu Catia

V nadaljevanju bomo predstavili izdelavo komponente v programu Catia ter smernice, iz

katerih je sledilo določanje vseh karakteristik delov mehanizma.

Slika 3.2: Komponente novega pogona mehanizma robotskega stereo računalniškega vida

Novejši motor ima zaradi ugotovljenih pomanjkljivosti prejšnjega motorja vgrajen

reduktor s prestavo 20, ki je nato priključen še na jermenski prenos s prestavnim

razmerjem 5. Ko smo določili te podatke za pogon, smo poiskali še ustrezen jermenski

prenos, ki je zadostoval našim omejitvam s prostorom. Motor smo zmodelirali, da smo

imeli velikostno predstavo za lažjo integracijo motorja v celoten sistem robota. Na sliki 3.3


je prikazan model motorja z dodano manjšo zobato jermenico, ki je preko jermena

vključena v jermenski reduktor.

Slika 3.3: Novi motor

Večja zobata jermenica ima 60 zob in je preko jermen povezana z manjšo zobato

jermenico (12 zob), ki je pritrjena na motor. Prav tako smo zaradi zmodeliranega celotnega

robota lažje določili oddaljenost motorja od osi vrtenja, da je bil jermen vedno optimalno

napet. V Catii smo skonstruirali tako večjo zobato jermenico kot tudi manjšo zobato

jermenico na motorju, ki je z jermenom povezana na večjo zobato jermenico. To je

prikazano na sliki (3.4).

Slika 3.4: Večja zobata jermenica (levo) in novi pogon (desno)

Nosilec motorja (slika 3.5 – zgoraj) ima majhno težo, je enostaven za izdelavo in ustreza

trdnostnim lastnostim. Na nosilec je nameščen motor, kar je prikazano na sliki 3.5 –

spodaj. Vse skupaj pa je nameščeno na nosilno os robota. Nosilec ima za namestitev na

nosilno os podolgovate utore, ki služijo za napenjanje ter namestitev in odstranitev

jermena, s pomočjo Catie pa smo končno obliko ter dimenzije lažje določili. Predvsem za


izdelavo prve verzije modela celotnega robota smo na takšen način dobili korelacije med

medosno razdaljo med osjo motorja in prvo osjo robota, na kateri je nameščena večja

zobniška jermenica.

Slika 3.5: Nosilec (zgoraj) in nosilec z motorjem (spodaj)

Spodnji nosilec (slika 3.6) povezuje podstavek robota s prvo osjo robota. Zaradi namestitve

nosilca motorja smo morali obstoječi nosilec prilagoditi ter dodelati. Treba je bilo izvrtati

luknje, ki so služile za pritrditev nosilca motorja, prav tako smo odrezali material na tem

nosilcu, da smo ustvarili prostor za motor.


Slika 3.6: Spodnji nosilec robota

Zaradi namestitve jermenskega reduktorja smo naredili tudi novi del prve osi robota (slika

3.7), na katero smo namestili večjo zobato jermenico in jo pritrdili s pomočjo dveh

vijakov. Na to os so nameščeni tudi ostali deli robota. Spodnji del osi pa je uležajen v

spodnjem nosilcu robota.

Slika 3.7: Del prve osi, na kateri je nameščena večja zobata jermenica

Celoten prototip stereo računalniškega vida je nameščen na nosilnem podstavku (slika 3.8).

Dimenzije in ostale karakteristike so bile upoštevane ter izmerjene iz prejšnjega, že

obstoječega modela.


Slika 3.8: Nosilni podstavek robota

3.2 Matlab simulacija za prvo os servopogona stereo računalniškega vida

Po koncu modeliranja, ki smo ga izvedli v CAD programu Catia, smo v Matlabu

predstavili regulacijo prve osi. Čeprav je Matlab namenjen predvsem za numerično

računanje, nam dodatni programski paket, Simulink, ponuja tesno integracijo s preostalim

okoljem v programu Matlab. Simulink se pogosto uporablja za teoretični nadzor in

digitalno obdelavo za večdomensko simulacijo in modelske dizajne.

V Simulinku smo zgradili model, v katerega smo dodali izračunane podatke, in pogledali

odziv reguliranega sistema na stopnični vhodni signal. Ustvarili smo regulacijo položaja

(slika 3.9) in tako izračunali dejanski položaj s pomočjo povratne zanke.

V nadaljevanju bomo predstavili tri variante, na katerih smo delali preizkuse. V poglavju

3.4 smo torej izvedli: načrtovanje z enim motorjem ESCAP 28D11, načrtovanje z dvema

motorjema ESCAP 28D11 in na koncu ponovno varianto z enim, vendar močnejšim

motorjem WEEE DE28001718.


Slika 3.9: Model regulacije položaja v Simulinku

Simulacija se začne tako:

Na PID-regulator smo pripeljali realno vrednost in vrednost, ki jo želimo doseči. Naloga

PID-regulatorja je bila izravnavanje[6] vrednosti razlike med želeno in dejansko vrednostjo

proti nič. Rezultat iz PID-regulatorja pripeljemo nato na podsistem, v katerem se nahaja

matematični model enosmernega DC-motorja. V tem bloku je matematični model

enosmernega motorja opisan z dvema deloma:

- električni del: mua

aaa KdtdiLiRUa ω⋅+⋅+⋅=

- mehanski del: mmb

mam Bdt

diJ

JiK ωω

⋅+⋅

+=⋅ 2

Obe komponenti povezuje konstanta Km, ki je podana skupaj z ostalimi konstantami in

izračuni v tabeli (2.1). Izhod (Wmot) iz podsistema matematičnega modela enosmernega

DC-motorja smo peljali na integrator, s pomočjo katerega smo dobili dejanski položaj.


Slika 3.10: Podprograma za DC-motor

Dobljene rezultate smo povezali na multiplekser, ki nam je omogočal zajemanje več

rezultatov in prikaz le-teh v glavnem delu Matlaba. Tam se nahaja program za izpis in

risanje vrednosti, ki jih želimo dobiti (priloga 3–1)[6][12][13]. Preden izračunamo

vrednosti PID regulatorja izvedemo analizo stabilnosti z Bodejevim diagramom. Iz

podprograma (slika 3.10) izpeljemo formulo za prenosno funkcijo motorja (3.1) in

prenosno funkcijo regulatorja (3.3), ki sta:

( ) ( ) ( ) sKKKKTsTssKKK

sFmehMuemehe

mehMemot ⋅⋅⋅⋅+⋅+⋅⋅+⋅

⋅⋅=

11 (3.1)

( ) pdt

r KsKs

KsF +⋅+= , (3.2)

kjer je:

tK – parameter integralnega dela,

dK – parameter diferencialnega dela,

pK – parameter proporcionalnega dela.

Prenosno funkcijo regulatorja smo lahko poenostavili, saj je integralno ojačanje nič.[6]

(enačba 3.3):


( ) ( )np

dpr TsK

KK

sKsF ⋅+⋅=

⋅+⋅= 11 , (3.3)

kjer je:

K – konstanta regulatorja,

nT – časovna konstanta regulatorja

3.3 Načrtovanje PID-regulatorja s pomočjo Bodejevega diagrama

PID-regulator nam omogoča opis položaja in mora izpolniti naslednje pogoje: odziv brez

statičnega pogreška in maksimalni prenihaj mora znašati 5 %. Enačba (3.5) pokaže

odvisnost med fazno rezervo ( rezϕ ) in maksimalni prenihaj ( prA ) [11]. Fazna rezerva, pri

kateri maksimalni prenihaj ne presega 5 %, znaša 65 (enačba 3.6). Z Bodejevim

diagramom definiramo parametre regulatorja.

[ ] [ ]%70 prrez A−=ϕ , (3.5)

kjer je:

rezϕ – fazna rezerva,

prA – maksimalni prenihaj,

[ ] 65%570 =−=rezϕ . (3.6)

Slika 3.11: Poenostavljena shema regulacije

Prenosno funkcijo odprte regulacijske zanke (enačbo 3.4) dobimo z enačbo (3.1):


( ) ( ) ( )sFsFsF motro ⋅= (3.4)

3.4 Izvedba simulacije PID-regulatorja za prvo os

Za izvedbo simulacije PID-regulatorja prve osi in za preverjanje stabilnosti smo uporabili

Bodejev diagram. Bodejev diagram je kombinacija dveh grafov – prvi je amplituda v

odvisnosti od frekvence, drugi pa je faza v odvisnosti od frekvence. Po navadi se riše v

logaritemski skali frekvence.

• Izvedba regulacije z enim motorjem ESCAP 28D11

Za simulacijo potrebujemo odprto regulacijsko zanko, ki jo dobimo z brisanjem negativne

povratne zanke[6]. Bodejev diagram smo izrisali v Matlabu. Pri tem načrtovanju je

uporabljen samo en motorček, zato je Jm = 7106.17 −⋅ kgm2. Pomembno je, da enačbo za

prenosno funkcijo motorja zapišemo v programu Matlab tako, da v imenovalcu te enačbe

zmnožimo in seštejemo vse parametre in jih razvrstimo od najvišjega (stopnja sn) do

najmanjšega (stopnja s0) (Fmot, Priloga 3–2). Časovna konstanta regulatorja Tn je zelo

pomembna, saj sprememba le-te vpliva na amplitudo in fazo Bodejevega diagrama za PID-

regulator. Najprej pri načrtovanju vstavimo vrednosti za Tn = 1 s, Tn = 100 s in Tn = 1000 s, pri konstantni vrednosti K = 1. Potem s spreminjanjem K nastavimo vrednost amplitude za

vse tri vrednosti Tn. Iz krivulj Bodejevega diagrama pri K = 1 in Tn = 1 s (slika 3.12)

najdemo najustreznejšo točko za določeno fazno rezervo 65° (enačba 3.7):

11565180 −=+− (3.7)


Slika 3.12: Bodejev diagram K = 1, Tn = 1 s za prvo os

Pogledamo fazni del diagrama in določimo točko na krivulji, da se ujema s fazo 115− .

Frekvenci 115− , ki jo izberemo na 3930 radianov na sekundo na zgornjem delu

Bodejevega diagrama, ustreza amplituda 51− dB. Pozorni moramo biti na to, da ne

naredimo napake pri odčitavanju amplitudne točke, ki se nahaja pri isti frekvenci, pri kateri

odčitamo fazo. Naš cilj je bil doseči amplitudo 0 dB, zato smo pri vrednosti 51− dB

prišteli 51 dB. Formula (3.8) prikazuje, kako smo določili konstanto K, vendar v decibelih,

kar prav tako pomeni, da je dobljena amplituda, ki je v decibelih, hkrati tudi konstanta

PID-regulatorja.

[ ] KdBK 10log20 ⋅= (3.8)

Podatke, ki smo jih dobili v formuli (3.8), upoštevamo v formuli (3.9). Za vrednost [ ]dBK

smo upoštevali razliko do ničle. To pomeni, da moramo, če imamo negativno vrednost,

uporabiti njeno pozitivno vrednost, če pa je obratno in je amplituda pozitivna, dodamo

njeno negativno vrednost.

[ ]

8.3541010 2051

20 ===

dBK

K (3.9)


Za Tn = 100 s in Tn = 1000 s naredimo na isti način kot pri Tn = 1 s.

6.10−=K dB odčitamo iz Bodejevega diagrama pri Tn = 100 s (slika 3.13):


Dobimo K = 3.388 decibelov (enačba 3.10):

[ ]

388.31010 206.10

20 ===

dBK

K (3.10)

97.8=K dB odčitamo iz Bodejevega diagrama pri Tn = 1000 s (slika 3.14).



Dobimo K = 0.356 (enačba 3.11):

[ ]

356.01010 2097.8

20 ===

−

dBK

K (3.11)

Dobljene podatke za K = 354.8 in Tn = 1 s vnesemo v zaprto prenosno funkcijo in nato v

programu Matlab uporabimo ukaz Feedback (Fo,1). Fo je odprta prenosna funkcija s

povratno povezavo, ki vsebuje vrednost 1 (M-datoteka: priloga 3–3). Tako dobimo

stopnični odziv (slika 3.15).

Slika 3.15: Stopnični odziv pri K = 354.8 in Tn = 1 s za prvo os

Pri ostalih dveh parih parametrov (K = 3.388 in Tn = 100 s, K = 0.356 in Tn = 1000 s) smo

dobili zelo podoben odziv, kot ga kaže slika 3.15, zato ju nismo ponovno narisali.

• Izvedba regulacije z dvema motorjema ESCAP 28D11

Za vztrajnostni moment celotnega sistema smo vzeli iz vira [6] Jm = 7106.172 −⋅⋅ kgm2,

čemur smo dodali vrednost vztrajnostnega momenta jermenic Jb = 0.0525 kgm2. Povečati

smo morali tudi konstanti Ku ter Km za 2 krat.


Način risanja v programu Matlab je enak kot pri izvedbi regulacije z enim motorčkom.

Iz Bodejevega diagrama (slika 3.16) ugotovimo, da fazi 115− , ki se nahaja na 3870

radianih na sekundo, ustreza amplituda K = 45− dB.


K = 177.8 decibelov (enačba 3.12):

[ ]

8.1771010 2045

20 ===

dBK

K (3.12)

Za Tn = 100 in Tn = 1000 naredimo isto kot pri Tn = 1, da določimo K. Za Tn = 100 s K

znaša 1.838, za Tn = 1000 s pa je K = 0.173.

Dobljene podatke za K = 177.8 in Tn = 1 s vnesemo v zaprto prenosno funkcijo in nato v

programu Matlab uporabimo ukaz Feedback (Fo,1). Tako dobimo stopnični odziv (slika

3.17) za regulacijo z dvema motorčkoma na prvo os.


Slika 3.17: Stopnični odziv pri K = 177.8 in Tn = 1 s za prvo os

• Izvedba regulacije z enim, vendar močnejšim motorjem WEEE DE28001718

Za zadnjo varijanto nimamo simulacijski rešitev ampak zgolj realno aplikacijo. Na sliki

3.18 so prikazane parametri za načrtovanje PID regulatorja. Želeno krmiljenje smo dobili z

s povezovanjem s opremo MAX, preko katerega smo regulirali servopogon prve osi ter

nastavaljali njene parametre. Način kako je sprogramirano pa podaja LabVIEW program

(slika 3.18), v realnem času, skupaj s programom LabVIEW, kartico NI – PXI 7534.


Slika 3.18: Parametre za izvedbo regulacija z enim močnejšim motorčkom

• Za testiranje kvalitete regulatorja položaja za novi močnejši motorček WEEE

DE28001718 smo opazovali stopnični odziv. Ugotovili smo da, se gibanje pol obrata prve

osi izvede v cca. 0,5 sekunde. Hitrost vrtenja prve osi mehanizma je maksimalno 1 obrat na

sekundo. Nadalje smo ugotovili, da je uporabljen servopogon dovolj močan, da

spremljajoči kabli kamere ne motijo (upočasnjujejo) samega gibanja prve osi, kot je bilo to

v primeru uporabe samo enega ali pa dveh motorjev ESCAP 28D11. S tem je bila naša

naloga, da pospešimo servopogon prve osi uspešno zaključena. Stopnični odziv se vidi na

sliki 3.19.

Slika 3.19: Stopnični odziv na položajno stopnico prve osi pri regulaciji položaja z enim

močnejšim motorčkom WEEE DE28001718


4 ZAKLJUČEK

Področje diplomskega dela je izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo

računalniškega vida. Glede na raziskavo in preračune prototipa smo opravili nabavo

sestavnih komponent, načrtovanje, izdelavo mehanskih risb in izdelavo mehanizma

servopogona.

Primarni cilj diplomskega dela je bil izdelati mehanizem servopogona prve osi.

Natančneje, cilj je bil s pomočjo programskega paketa LabView izvesti regulator položaja,

ki bo omogočal hitrost vrtenja maksimalno 1 obrat na sekundo in ustrezne pospeške, da se

gibanje pol obrata prve osi izvede v cca 0,5 sekunde po t. i. PTP profilu hitrosti.

Da bi dosegli cilj, smo se ukvarjali s študijem mehanizma stereo vida. Potem smo naredili

preračun parametrov položajnega regulatorja na sistemu prve osi mehanizma robota. S

pomočjo dobljenih rezultatov smo izdelali servopogon prve osi s CAD programom

CATIA. Po modeliranju smo v Matlabu zgradili model, v katerega smo dodali izračunane

podatke, in pogledali odziv prve osi mehanizma na stopnični vhodni signal.

Rezultati simulacije v Matlabu so pokazali, da potrebujemo močnejši pogon na prvi osi.

Glede na rezultate ob uporabi močnejšega motorčka WEEE DE28001718 lahko sklepamo,

da smo dosegli želeni cilj. Slaba lastnost rezultatov je, da so parametri PID-regulatorja

izračunani brez povezovalnih kablov motorčka, kamer in senzorja, kar v našem primeru

predstavlja veliko oviro gibanju robota.

Rezultati te diplomske naloge podpirajo idejo, da je nadaljnje delo treba usmeriti v

reševanje problema s kabli. Implikacije pohitritve prve osi so, da je v prihodnosti mogoče

izboljšati na podoben način tudi odzivnost druge osi.


5 VIRI, LITERATURA

[1] Dokumentacija za induktivno stikalo in REED magnetno stikalo, dostopno na:

http://www.fbselektronik.com (september 2012).

[2] S. Korat, Gradnja krmilno napajalnega dela mehanizma robotskega vida, Fakulteta

za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Maribor, 2011.

[3] National Instruments, Motion control – NI-motion user manual, dostopno na:

http://www.ni.com/pdf/manuals/371242c.pdf (september 2012).

[4] National Instruments, Motion control – NI 7350 user manual, dostopno

na:http://www.ni.com/pdf/manuals/371060b.pdf ( september 2012).

[5] National Instruments, Motion control – Getting started with NI-motion, dostopno

na: http://www.ni.com/pdf/manuals/373329d.pdf (september 2012).

[6] T. Peinkiher, Načrtovanje in izvedba vodenja robotskega stereo vida, Fakulteta za

strojništvo, Maribor, 2011.

[7] D. Rožmarin, Modifikacija mehanizma robotskega stereo vida, Fakulteta za

strojništvo, Maribor, 2012,

[8] N. Zupanec, Vodenje robotskega mehanizma vida, Fakulteta za elektrotehniko,

računalništvo in informatiko, Maribor, 2011.

[9] J. Marguč, Načrtovanje in izdelava vodenja servopogona mehanizma stereo

računalniškega vida, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko,

Maribor, 2012.

[10] Elektrotehniška in računalniška konferenca, G. Pačnik, Invalidski voziček z

govornim upravljanjem – VOIC, v B. Zajc in A. Trost, 14. Elektrotehniška in

računalniška konferenca ERK, Portorož, 26. - 28. september 2005, Slovenska

sekcija IEEE, 2005, Ljubljana, str. 229-232.

[11] LabVIEW, dostopno na: http://www.ni.com/labview/ (september 2012).

[12] Math Works, Matlab 7 – Getting Started Guide. Dostopno na WWW:

http://www.mathworks.com/help/pdf_doc/matlab/getstart.pdf [29.4.2011]

http://www.fbselektronik.com/

http://www.ni.com/pdf/manuals/371242c.pdf

http://www.ni.com/pdf/manuals/371060b.pdf

http://www.ni.com/pdf/manuals/373329d.pdf

http://www.ni.com/labview/


[13] Math Works, Simulink 7 – Getting Started Guide. Dostopno na WWW:

http://www.mathworks.com/help/pdf_doc/simulink/sl_gs.pdf [29.4.2011]

[14] Wikipedia, Vmesnik IEEE 1394. Dostopno na WWW:

http://sl.wikipedia.org/wiki/Vmesnik_IEEE_1394

[12] Math Works, Matlab 7 – Getting Started Guide. Dostopno na WWW:

http://www.mathworks.com/help/pdf_doc/matlab/getstart.pdf [29.4.2011]

http://www.mathworks.com/help/pdf_doc/matlab/getstart.pdf

http://www.mathworks.com/help/pdf_doc/simulink/sl_gs.pdf

http://sl.wikipedia.org/wiki/Vmesnik_IEEE_1394


6 PRILOGE

Slika 6.1: podprogram za iskanje reference


Slika 6.2: čelna plošča LabVIEW


Slika 6.3: stanje Nastavitev parametrov LabVIEW


Slika 6.4: stanje Iskanje reference LabVIEW


Slika 6.5: stanje Premikanje LabVIEW


Slika 6.6: stanje Ustavitev LabVIEW


M – datoteka (priloga 3-1) odziv motorja:

cas=6; %trajanje simulacije Tsample=1e-3; %cas sempliranje simulacije zac=1; %zacetek stopnice na step generatorju Uamax=12; %najvisja vrednost stopnice na step generatorju La=300e-6; %induktivnost navitja [mH] Ra=2.5; %upornost navitja [ohmov] Ku=0.0195; %napetostna konstanta [Vs/rad] Km=0.0195; %konstanta navora [Nm/A] Jb=0.052; %vztrajnostni moment obremenitve [kg*m^2] Jm=17.6e-7; %vztrajnostni moment motorja [kg*m^2] B=1e-6; %viskozno trenje [Nms/rad] Szel=2*pi; Kp=? Ki=? %nastavitve PID regulatorja Kd=? %simulacija in izris grafov sim('DC_motor_polozaj'); figure(1) subplot(4,1,1),plot(data(:,3),data(:,1),'b'); title('Szel'); ylabel('[rad]'); grid; subplot(4,1,2),plot(data(:,3),data(:,2),'r'); title('Sdej'); ylabel('[rad]'); grid; subplot(4,1,3),plot(data(:,3),data(:,4),'g'); title('ia'); ylabel('[A]'); grid; subplot(4,1,4),plot(data(:,3),data(:,5),'k'); title('Wmot'); ylabel('[rad/s]'); grid; figure(2) plot(data(:,3),data(:,2),'r',data(:,3),data(:,1),'k'); title('Polozaj motorja'); xlabel('cas[s]'); ylabel('polozaj [rad]'); legend('Szel','Sdej'); grid;

M – datoteka (priloga 3 - 2) Bode diagrama:

%bode diagram clear all clc K=?; Tn=?;


La=300e-6; %induktivnost navitja [mH] Ra=2.5; %upornost navitja [ohmov] Ku=0.0195; %napetostna konstanta [Vs/rad] Km=0.0195; %konstanta navora [Nm/A] Jb=?; %vztrajnostni moment obremenitve [kg*m^2] Jm=17.6e-7; %vztrajnostni moment motorja [kg*m^2] B=1e-6; %viskozno trenje [Nms/rad] i=9.1; %prestavno razmerje zobnikov Fr=tf([K*Tn K],[1]) %prenosna funkcija PID regulatorja Tmeh=(Jm+(Jb/(i^2)))/B; %mehanska časovna konstanta Te=La/Ra; %električna časovna konstanta Kmeh=1/B; %mehanska časovna konstanta Ke=1/Ra; %električna konstanta %prenosna funkcija motorja Fmot=tf([Ke*Km*Kmeh],[(Te*Tmeh) (Te+Tmeh) (1+Ke*Ku*Kmeh) 0]) Fo=Fr*Fmot %prenosna funkcija sistema bode(Fo) %izris Bodejevega diagrama grid

M – datoteka (priloga 3 – 3) Step odziv

%zaprta zanka in step odziv clear all clc K=?; Tn=?; La=300e-6; %induktivnost navitja [mH] Ra=2.5; %upornost navitja [ohmov] Ku=0.0195; %napetostna konstanta [Vs/rad] Km=0.0195; %konstanta navora [Nm/A] Jb=?; %vztrajnostni moment obremenitve [kg*m^2] Jm=17.6e-7; %vztrajnostni moment motorja [kg*m^2] B=1e-6; %viskozno trenje [Nms/rad] i=9.1; %prestavno razmerje zobnikov Fr=tf([K*Tn K],[1]) %prenosna funkcija PID regulatorja Tmeh=(Jm+(Jb/(i^2)))/B; %mehanska časovna konstanta Te=La/Ra; %električna časovna konstanta Kmeh=1/B; %mehanska časovna konstanta Ke=1/Ra; %električna konstanta %prenosna funkcija motorja Fmot=tf([Ke*Km*Kmeh],[(Te*Tmeh) (Te+Tmeh) (1+Ke*Ku*Kmeh) 0]) Fo=Fr*Fmot %prenosna funkcija sistema Fc=tf(feedback(Fo,1)) %zaprta prenosna funkcija sistema step(Fc) %odziv na stopnico grid


6.1 Seznam slik

Slika 2.1: mehanizem prototipa robota ..................................................................................3

Slika 2.2: primerjava stereo računalniškega vida s človeško glavo.......................................4

Slika 2.3: enosmerni motor z reduktorjem .............................................................................5

Slika 2.4: enosmerni motor skupaj z reduktorjem na prvi osi...............................................6

Slika 2.5: napajalnik...............................................................................................................7

Slika 2.6: kartica za krmiljenje motorja.................................................................................8

Slika 2.7: induktivna in magnetna brezkontaktna končna stikala..........................................9

Slika 2.8: kartica integracije...................................................................................................9

Slika 2.9: krmilnik NI PIX - 7354........................................................................................11

Slika 2.10: kamera Fire-iTM..................................................................................................12

Slika 2.11: čelna plošča v programskem okolju programa LabVIEW.................................13

Slika 2.12: blok diagram v programu LabVIEW .................................................................14

Slika 2.13: Measurement & Automation Explorer (MAX) ..................................................15

Slika 3.1: celoten model robota, izrisan v CAD programu Catia.........................................17

Slika 3.2: komponente novega pogona mehanizma robotskega stereo računalniškega

vida...............................................................................................................................17

Slika 3.3: novi motor............................................................................................................18

Slika 3.4: večja zobata jermenica (levo) in novi pogon (desno)..........................................18

Slika 3.5: nosilec (zgoraj) in nosilec z motorjem (spodaj)...................................................19

Slika 3.6: spodnji nosilec robota..........................................................................................20

Slika 3.7: del prve osi, na kateri je nameščena večja zobata jermenica...............................20

Slika 3.8: nosilni podstavek robota......................................................................................21

Slika 3.9: model regulacije položaja v Simulinku...............................................................22

Slika 3.10: podprogram za DC motor..................................................................................23

Slika 3.11: poenostavljena shema regulacije.......................................................................24


Slika 3.12: bodejev diagram K=1 Tn=1s za prvo os.............................................................26

Slika 3.13: bodejev diagram K=1 Tn=100s za prvo os.........................................................27

Slika 3.14: bodejev diagram K=1 Tn=1000s za prvo os.......................................................27

Slika 3.15: stopnični odziv pri K=354.8 in Tn=1s za prvo os..............................................28

Slika 3.16: bodejev diagram K=1 Tn=1s za prvo os............................................................29

Slika 3.17: stopnični odziv pri K=177.8 in Tn=1s za prvo os..............................................30

Slika 3.18: parametre za izvedbo regulacija z enim močnejšim motorčkom.......................30

Slika 3.19: Stopnični odziv na položajno stopnico prve osi pri regulaciji položaja z enim

močnejšim motorčkom WEEE DE28001718.......................................................................31

Slika 6.1: podpogram za iskanje reference...........................................................................36

Slika 6.2: čelna plošča LabVIEW........................................................................................37

Slika 6.3: stanje Nastavitev parametrov LabVIEW.............................................................38

Slika 6.4: stanje Iskanje reference LabVIEW......................................................................39

Slika 6.5: stanje Premikanje LabVIEW...............................................................................40

Slika 6.6: stanje Ustavitev LabVIEW..................................................................................41

6.2 Seznam preglednic

Tabela 2.1: Podatki PORTESCAP DC motorjev .................................................................. 4

Tabela 2.2: Del podatkov novega motorja (WEEE DE28001718) za prvo os ...................... 6

6.3 Naslov študenta

Kristina Trajkovska

Vošnjakova 27,

2000 Maribor

Tel.študenta: +386 30 335 003

e-mail študenta: [email protected]


6.4 Kratek življenjepis

Rojena: 02.03.1990

Šolanje: Osnovna šola: Dedo Iljo Maleševski, Budinarci, Berovo

Gimnazija: Aco Ruskovski, Berovo

Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Maribor

Program: Mehatronika - UN 1. St. Bol.

mailto:[email protected]







Documents

Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo ...Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 1 1 UVOD Danes, v 21. stoletju, imajo ljudje dober razlog,