Digitale Regelung

eines fahrerlosen

Transportsystems

Versuch im Labor: Regelungstechnisches Praktikum 1

Betreuer : Steffen Lampke, M.Sc.Stand : 21. Mrz 2016

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Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Systemaufbau des fahrerlosen Transportfahrzeugs 2

3 Modellbildung 6

4 Digitale Regelung mit dem Echtzeitbetriebssystem QNX 114.1 Betriebssyteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.2 Echtzeitfhigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.3 Zeitliche Messgren fr die digitale Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . 134.4 Digitale Reglerauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.5 Relevante QNX API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.5.1 Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.5.2 Timer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

5 Versuchsdurchfuhrung 195.1 Hausaufgabe: Reglerimplementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195.2 Programmierung mit der QNX API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5.2.1 Timer-Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225.2.2 Zugriff auf die Peripherie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225.2.3 Implementierung einer einfachen Regelung . . . . . . . . . . . . . . 24

5.3 Reglerentwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

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1 Einleitung

Autonome Fahrzeuge werden heute vielfach eingesetzt, sei es z. B. im industriellen Um-feld zur Automatisierung von Transportvorgngen oder im wissenschaftlichen Bereich zurErforschung unwirtlicher Regionen. So unterschiedlich die Anforderungen an diese Sys-teme, ihre Komplexitt und ihre Einsatzgebiete auch sein mgen, so gleichermaen iden-tisch sind sie in ihrem prinzipbedingten Aufbau, denn sie verfgen alle ber:

eine Umfeldsensorik zur Ermittlung der Position im Raum

eine Steuereinheit mit einer Bahnplanung, die aus den Daten der Umfeldsensorikermittelt, wie das vorgegebene Ziel erreicht werden kann

eine Aktorik zur Erreichung des Ziels

Wie sich dieser Aufbau praktisch darstellt, soll anhand dieses Laborversuchs demons-triert werden. Dazu wurde am Institut fr Regelungstechnik ein einfaches, aber voll funkti-onsfhiges fahrerloses Transportfahrzeug (FTF) aufgebaut, welches zunchst vorgestelltwird. Nach einer folgenden allgemeinen Einfhrung in die Eigenschaften von Echtzeitbe-triebssystemen wird es die Aufgabe sein, hierfr einen digitalen Regler zu implementie-ren.

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2 Systemaufbau des fahrerlosen

Transportfahrzeugs

Fr die Erfllung der Transportaufgaben im innerwerklichen und innerbetrieblichen Be-reich stehen seit den 50er Jahren fahrerlose Transportsysteme zur Verfgung. Ein fah-rerloses Transportsystem (FTS) besteht im wesentlichen aus zwei Elementen, den Fahr-zeugen und der Anlage. Fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) sind spurgebundene Fr-dermittel mit einem eigenen Fahrantrieb, die automatisch gefhrt und gesteuert werden.Sie werden mit oder ohne Ladehilfsmittel zum Ziehen, Schieben, Tragen, Heben, Stapelnbzw. Einlagern von Transportgut eingesetzt. Durch ihre hohe Flexibilitt in der Strecken-fhrung, ihren vollautomatischen Betrieb und ihren geringen Platzbedarf stellen sie einebetriebswirtschaftlich sinnvolle Alternative zu manuell bedienten Flurfrderzeugen dar.

Das FTF dieses Labors ist als Dreiradfahrzeug aufgebaut und in Bild 2.1 dargestellt.Als Antriebseinheit wird eine aus Fahr- und Lenkantrieb kombinierte Einheit eingesetzt.Die beiden Gleichstrommotoren werden durch zwei PWM-Leistungsteile angesteuert. DieSpurfhrung erfolgt induktiv ber einen Leitdraht.

Abbildung 2.1: Links: FTF ohne Verkleidung. Rechts: Kombinierte Antriebseinheit

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Der Systemaufbau des Fahrzeugs ist in Bild 2.2 veranschaulicht. Die einzelnen Kompo-nenten sollen im Anschluss kurz vorgestellt und ihr Zusammenwirken verdeutlicht wer-den. Sie umfassen neben Sensorik, Steuerung und Aktorik, auch ein Sicherheits- undNot-Aus-System.

Abbildung 2.2: Bestandteile des FTF. Wichtig ist vor allem die Lage der Sensoren undMotoren.

1 Antriebsmotor: Ein permanent erregter Gleichstrommotor mit einer Leistung von0,13kW/24V treibt das Fahrzeug mit einer maximalen Geschwindigkeit von 1ms1

an.

2 Lenkmotor: ber den Lenkmotor kann das Fahrzeug gesteuert werden. Dabeiwird die komplette Antriebseinheit inklusive des Antriebsmotors geschwenkt.

3 & 18 Mikrolenksensor: Das Fahrzeug besitzt zwei Mikrolenksensoren (MLS) amvorderen und hinteren Ende, die den Abstand zum Leitdraht messen. Nur der Vorde-re von beiden wird in diesem Labor verwendet werden. Das Messprinzip ist in Bild2.3 veranschaulicht. Es beruht auf der eingekoppelten Spannung einer senkrechtund einer horizontal angeordneten Spule, die durch die vom Leitdraht verursachtenmagnetischen Wechselfelder induziert wird.

4 2 Systemaufbau des fahrerlosen Transportfahrzeugs

Leitdraht

Lesehhe

Differenzspule

Summenspule

Fahrebene

Mikrolenksensor

Abbildung 2.3: Skizze des Messprinzips der Mikrolenksensoren

4 Lenkpotentiometer: Mit dem Schwenken der Antriebseinheit wird ber ein Zahn-rad ein kleines Przisionspotentiometer verndert, aus dessen Stellung der Lenk-winkel ermittelt werden kann.

5 Inkrementalgeber: Gleichermaen wichtig wie der Lenkwinkel ist auch die ge-fahrene Geschwindigkeit. Diese wird mit einem Inkrementalgeber gemessen, derdirekt an der Motornabe angebracht ist.

6 Ultraschallsensoren: Zur Erkennung von Hindernissen sind an der Vorderseitezwei Ultraschallsensoren angebracht, die den Bereich vor dem Fahrzeug abtastenund den Abstand zu mglichen Hindernissen messen.

8 Elektromagnetbremse: Im Falle eines Not-Aus zieht die Bremse an und stopptdas Fahrzeug unmittelbar. Dies erfolgt entweder bei Bettigung des Not-Aus-Schaltersoder bei Verformung des Bumpers, einem um das Fahrzeug herum angebrach-ten gummischlauchartigen pneumatischem Detektionssystem, das bei eingedrck-ter Auswlbung eine Drucknderung registriert.

10 Energieversorgung: Zwei 10Ah/12V Gel-Batterien sorgen fr die ntige Ener-gieversorgung des Fahrzeugs, das im Fahrbetrieb etwa 4A Strom zieht. Diese Span-nung wird ber den DC/DC-Wandler stabilisiert und der Steuereinheit zugefhrt.

12 Industrie-PC: Auf dem Fahrzeug ist ein kompakt aufgebauter Computer (Penti-um 150MHz) untergebracht, der unter dem Echtzeitbetriebssystem QNX die Steue-rung des Fahrzeugs bernimmt. Alle Sensorsignale werden auf ihm zusammenge-fhrt und ausgewertet, entsprechende Stellsignale anschlieend ausgegeben. Da-zu ist der Rechner mit einem zustzlichen IO-Modul, einem sogenannten IP-Modulausgerstet. Dieses ist ber Kette von Kommunikationsbussen und Interfaces mit

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dem Rechner verbunden und verfgt ber einen FPGA, dessen einkonfigurierteKomponenten die Ein- und Ausgabe von digitalen Spannungen sowie Teile der Aus-wertung und Erzeugung der Signale bernehmen knnen.

13 & 14 PWM-Module: Die Motoren werden mit einer PWM-Spannung ange-trieben. Die hier dargestellten PWM-Module sind reine Leistungsendstufen der Mo-toren, die die digitalen PWM-Signale verstrken. Diese Signale werden von demIP-Modul mit der Frequenz 10 kHz und einem vorgebbaren Tastverhltnis generiert.Das Tastverhltnis kann vom PC aus in das ansteuernde Register auf dem FPGAgeschrieben werden.

16 Hauptschalter, Start- und Not-Aus-Taster: ber den Hauptschalter wirddas Fahrzeug gestartet und ein Steuerstromkreis eingeschaltet, sodass der Rech-ner hochfhrt. Durch Bettigung des Start-Tasters wird der Antriebsstromkreis zuge-schaltet. Die PWM-Module sind nun betriebsbereit und die Elektromagnetbremse istgelst. Erst jetzt kann das Fahrzeug losfahren. Mittels des Not-Aus-Schalters oderdes Bumpers wird nur dieser Antriebsstromkreis unterbrochen und das Fahrzeugwird gestoppt, der Rechner und die Steuerung bleiben hingegen in Betrieb.

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3 Modellbildung

Der Fahrzeugaufbau ist recht simpel gehalten. Daher gestaltet sich die Modellbildungfr das Querverhalten problemlos. Das folgende Modell stellt die zur regelnde Streckedar, und wird von einem zunchst nichtlinearen Modell auf ein einfaches lineares Modellreduziert werden. Ziel der spteren Regelung ist das repititive Ajustieren des Lenkwinkelsdurch Vergleich des Querabstands mit 0, sodass das Fahrzeug der Sollspur nachgefhrtwird. Die Dynamik der Vorwrtsbewegung wird in diesem Labor hingegen nicht betrachtetwerden und wird daher fr die Querdynamik als konstant angenommen.

Die Modellbildung kann mithilfe der Abbildung 3.1, die schematisch das FTF mit Leitdrahtzeigt, erfolgen.

d

g

d+g

v dt

q0

q +dq0

Le

itd

rah

tdq

Abbildung 3.1: Modell der Querkinematik

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Der Leitdraht stellt das Referenzsystem fr die Messung und Modellierung dar. Der Quer-abstand q wird stets senkrecht zu ihm gemessen. Die Lage dieses Referenzsystemsim Weltkoordinatensystem ist fr die Regelung vllig ohne Belang. Relativ zum Drahtschliet die Fahrzeugmittelachse den sogenannten Gierwinkel ein. Zusammen mit demLenkwinkel ergibt die Summe beider Winkel den Gesamtwinkel zwischen Leitdraht undder Orientierung des Antriebsrades. Alle Winkel werden wie im Bild angedeutet im ma-thematisch positiven Sinn gezhlt. In Bild 3.2 sind die Winkel zur Veranschaulichung nocheinmal mit gebogenem Leitdraht dargestellt.

Abbildung 3.2: Modell der Querbewegung in einer Kurve

Fr die Regelung des Fahrzeugs wird die Strecke derart modelliert, dass die Eingangs-gre der Lenkwinkel des Fahrzeugs und die Ausgangsgre der Abstand q ist. DerGierwinkel , der auch durch eine gekrmmt