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Modellbasierte Simula0on und experimentelle Anwendung von mechatronischen Systemen in der Lehre mit MATLAB, Simulink und Raspberry Pi.
© FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | FACHBEREICH LuO-‐ und RaumfahrRechnik
Dipl.-‐ Ing., M.Sc. Jochen Theis Fachbereich LuO-‐ und RaumfahrRechnik FH Aachen – University of Applied Sciences
Email: theis@fh-aachen.de Web: www.fh-aachen.de
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Agenda
§ Einführung
§ Wo wird MATLAB/Simulink und Raspberry Pi eingesetzt.
§ Verwendete Beispiele aus der Lehre
§ Experiment: Magne0sche Schwebung
§ Zusammenfassung
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Überblick -‐ FH Aachen
§ 1971 Gründung als Fach-‐Hochschule Aachen
§ 10 verschiedene Fachbereiche an den Standorten Aachen und Jülich
§ Ca. 11.000 Studenten, davon ca. 19% aus dem Ausland
§ 220 Professoren und 600 Mitarbeiter in Lehre und Forschung
§ 48 Bachelor-‐ und 22 Masterstudiengänge der IngenieurwissenschaOen, der WirtschaOswissenschaOen und Design stehen zur Auswahl
§ Enge Koopera0onen mit regionalen und interna0onalen Unternehmen sowie renommierten Forschungseinrichtungen sind etabliert
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Wo wird MATLAB/Simulink eingesetzt
§ Mechatronic Systems Simula0on ú Lehrveranstaltung am Fachbereich LuO-‐ und Raumfahrt
ú Pflichtmodul für Master „Mechatronics“, 3. Semester, 6 SU
ú Teil 1: Simula0on für „Lumped Element Simula0on“ (component based models)
ú Teil 2: Integrated Systems Simula0on (behavior based models) mit Einsatz von MATLAB und Simulink
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Bisheriger Kursinhalt
§ MATLAB ú Auoau MATLAB, M-‐ Files, Grafik, DatenschniRstellen, Toolboxen
§ Simulink ú Libraries, Lösen von Differenzialgleichungen, SimScape (Electrical)
§ Stateflow ú Zustandsautomaten
§ Praxisteil ú Automa0sierte Simula0onen, Toolchain SoOwaresimula0on mit
anschließender Einbindung von Hardware ú Verwendung von verschiedenen Simula0ons-‐ und Hardwareplatormen
§ Prüfung ú PC basiert
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Mechatronische Systeme: Beispiel 1
§ Simula0on und Versuch Wasserkocher ú Prak0scher Versuch und Vergleich durch Simula0on
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Mechatronische Systeme: Beispiel 2
§ Simula0on DC Motor mit gekoppelten Generator ú Simula0on dynamisches Verhalten in Simulink ú Aufstellen und Lösen der Differen0algleichung des elektro-‐
mechanischen Systems in Simulink ú AuOeilung Regler und Regelstrecke im Modell
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Mechatronische Systeme: Beispiel 3
§ Objekterkennung: Raspberry Pi ú Simulink Modell für Bildauswertung und lokalisierung eines farbigen
Objektes ú Verfügbares Simulink Support Package wurde genutzt ú Bild über USB WebCam erfassen und über Modell ein Objekt (z.B. grüner
Ball) erkennen und markieren ú Grenzen des Systems feststellen (-‐> 2 Objekte erscheinen auf dem Bild)
Idee: Einsatz eines Raspberry Pi‘s als universelle HardwareschniRstelle für verschiedene Experimente
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Anforderungen der Hardware für Experimente
§ Digitale Ein-‐/Ausgänge § Analoge Ein-‐ und Ausgänge § PWM, SPI und I2C
§ USB § (Echtzeit) § SD Karte, LAN/ WLAN
§ Integra0on in Simulink
Simulink Modell
Hardware Schnittstellen
Experiment
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Experiment: Hardware § Raspberry Pi
ú Low Cost Hardware, Linux Betriebsystem, Embedded ú ARM 11 700 Mhz Prozessor, GPIO SchniRstelle, USB, SD, HDMI, LAN ú PWM, SPI und I2C * ú MATLAB Support Package (*) ú Simulink Support Package
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Experiment: Magne0sche Schwebung
Adapterplatine § PWM Signal § Spannung
Hallsensor
Elektromagnet
Hall Sensor
Kugel mit Permanent Magnet
§ Mechanischer Auoau
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Experiment: Magne0sche Schwebung
§ Elektrischer Auoau
Ansteuerung über einen Ausgang des Simulink Modells
Analoge Spannung als Eingangssignal in das Simulink Modell
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Experiment: Magne0sche Schwebung § Konzept für das Modell in Simulink
Fkugel= m*g
Fmagnet
§ Schwebung bei Fmagnet = Fkugel
§ Aktuelle Posi0on der Kugel zum Elektromagneten über die analoge Hallspannung. Die Differenz der magne0schen Feldstärke des Elektro-‐magneten und der Kugel ist ein Maß für den Abstand.
§ Ansteuerung des Elektromagneten über ein PWM Signal
§ Geeignete Regelungsstrategie
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Experiment: Magne0sche Schwebung
Konzept: Ergänzung AD- Wandler über SPI, um analoge Werte über Raspberry Pi zu erhalten. Ergebnis: GPIO sind bis 1 KHz über Simulink triggerbar, benötigt werden >50 KHz. Simulink: Mit Erweiterung der Library über S- Functions
A/D SPI
§ Analog Signal (Hall Sensor)
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Experiment: Magne0sche Schwebung Konzept: PWM Ausgang von Raspberry Pi über Simulink ansprechen. Ergebnis: PWM Ports sind derzeit nur über MATLAB Support Package einsetzbar. Simulink: Mit Erweiterung der Library über S- Functions
§ PWM Signal (Elektromagnet)
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Experiment: Magne0sche Schwebung § Aktuelle technische Umsetzung
Embedded Linux System mit PWM und AI/ AO.
Kompilierte Modelldatei (*.so) wird eingebunden und mit 100µs getriggert.
Code Generierung mit Hilfe eines
Simulink Targets. (Linux Arm 32) *.so File wird
erzeugt.
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Experiment: Magne0sche Schwebung § Abstandsmessung mit USB Kamera und Raspberry Pi
ú Wie ist der Abstand der Kugel zum Elektromagneten? ú Basis: Objekterkennung mit Raspberry Pi ú Umsetzung: z.B. als Ablaufsteuerung in
Stateflow, um Referenzpunkt (blau) zu definieren und anschließend die Posi0on der grünen Kugel zu lokalisieren.
ú Umrechnung Pixel <-‐> mm ú Aufzeichnung des Bewegung der Kugel ú Datenauswertung in MATLAB
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ZukünOige SchriRe
§ Erweiterung für Raspberry Pi Library ú Erstellung verschiedener Blöcke ú Zugriff auf PWM Ports ú Zugriff auf SPI SchniRstellen ú Umsetzung mit Hilfe von S-‐ Func0ons
§ Umsetzung einer „standardisierten“ IO SchniRstelle mit dem Raspberry Pi für 10 Labor Arbeitsplätze, um verschiedene Experimente durchzuführen.
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Zusammenfassung
§ Mechatronic Systems Simula0on ú Erfolgreicher Einsatz von MATLAB/ Simulink /Stateflow zur Simula0on
von mechatronischen Systemen in der Lehre ú Praxisanteil im Modul mo0viert die Studenten
§ Einsatz von Raspberry Pi als „Low Cost“ Embedded System ú Webcam (Experimente für Objekterkennung sehr gut anwendbar) ú Digitale Ein-‐ und Ausgänge nutzbar, Ain/Aout aktuell nicht verfügbar ú PWM, SPI und I2C aktuell im Simulink Support Package mit Hilfe von S-‐
Func0ons realisierbar ú Toolchain in Simulink mit Raspberry Pi erfolgreich angewendet
§ Kopplung verschiedenen Entwicklungsumgebungen ú Kompiliertes Modell auf Linux Real Time System einsetzbar