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© 2002 UICEEGlobal J. of Engng. Educ., Vol.6, No.3Published in Australia

EINLEITUNG

Die Entwicklung von multimedialen Plattformen zurFernsteuerung einer realen Hardware ist ein aktuellesThema, insbesondere bei der Fernlehre in denIngenieurwissenschaften. Das Institut für Regelungs-und Steuerungstechnik der Universität Siegen ist anverschiedenen nationalen und internationalen Projektenbeteiligt, bei denen Laborexperimente über dasInternet ferngesteuert werden. Diese Experimentewerden zur Unterstützung der Vorlesungen in derRegelungstechnik und Mechatronik eingesetzt. Dienationalen Projekte sind LearNet (Lernen undExperimentieren an realen technischen Anlagen imNetz) und Learn2Control (Multimediale Lern-umgebung für projektorientiertes Lernen der Methodender Regelungstechnik), die internationalen Projektesind IECAT (Innovative Educational Concept for

Virtuelle Labors für Experimente in der Mechatronik*

Hubert RothOtto J. Rösch

Jörg KuhleAlexander Prusak

Ana Hernán GonzálezUniversität Siegen, Hölderlinstr. 3, D-57068 Siegen, Deutschland

Die Universität Siegen nimmt an verschiedenen virtuellen Laborprojekten im Bereich derRegelungstechnik, Mechatronik und Telematik teil. Die Schwerpunkte liegen in der technischenRealisierung der Fernsteuerung von entfernt gelegenen realen Laborexperimenten über das Internet,und deren didaktischer Aufbereitung. Diese Experimente decken den praktischen Teil der Lehreab. Das eine Experiment behandelt die Pfadplanung mobiler Roboter, das Zweite umfasst dieRegelung flexibler Strukturen. Der Zugriff zu den entfernten Laboren wird über ein sogenanntesE-Learning Webportal ermöglicht, welches auch ein Buchungs- und Sicherheitssystem für die Versuchebeinhaltet. In diesem Bericht werden zunächst verschiedene nationale und internationale Projektebeschrieben, in welchen die Universität Siegen mitarbeitet. Danach wird der technische Aufbau mitden dazugehörigen Lehreinheiten beschrieben. Abschließend wird die Funktionalität des Webportalesvorgestellt, welches alle Lehreinheiten der beteiligten Partner als geschlossene Einheit verwaltet.

*Dieser Artikel ist eine erweiterte und überarbeiteteVersion eines auf dem 6th Baltic Region Seminar onEngineering Education (Wismar, Deutschland, 23.-25.September 2002) gehaltenen Vortrages. Der ursprünglicheArtikel wurde durch eine Wahl der Seminarteilnehmer alsbester Artikel der Seminarpublikationen mit dem UICEEDiamant Award (erste Klasse) ausgezeichnet.

Autonomous and Teleoperated Systems) und TEAM(Tele-Education in Aerospace and MechatronicsUsing a Virtual International Laboratory). Pädagogischhochwertige Lehreinheiten in Verbindung mitfernsteuerbarer Hardware stellen innovative Labor-experimente für die Lehre in den Ingenieurs-wissenschaften dar. Die Einbeziehung einer großenAnzahl von Studierenden an den Partneruniversitätenbildet zusammen mit verschiedenen Mobilitäts-programmen die Basis für einen regen internationalenAustausch von Studierenden. Insbesondere in dentransatlantischen Projekten profitieren Studierende vonden fortgeschrittenen Technologien in einerinternationalen Umgebung. Bei allen Projekten werdenreale Laborexperimente an das Internet gebunden.

Mit der Fernsteuerung und Fernüberwachungmobiler Roboter befasst sich das erste Experiment.Die Aufgabe der Studenten ist Modellbildung sowiedie dynamische und kinematische Systemidentifikationunterschiedlicher Parameter eines Roboters. Nachdiesen Vorarbeiten kann eine Geschwindigkeitsregelungfür den Roboter entworfen werden.

Das zweite Experiment ist eine flexiblemechanische Struktur. Diese Testplattform dient zurSchwingungserfassung und, nach dem Entwurf eines

H. Roth et al208

entsprechenden Regelungsgesetztes, zur Vibrations-dämpfung flexibler Strukturen. Ziel der Lehreinheit istdie Systemidentifikation und Regelung dieser flexiblenStruktur. Abschließend soll die Güte des Regel-algorithmus bewertet werden.

Jedes Laborexperiment umfasst eine zusammen-hängende und komplette Lehreinheit. Um Studierendeneine Hilfe in den aktuellen Gebieten zu geben, werdenLinks zu öffentlichen Tutorials und Dokumentationenzu den entsprechenden Lehreinheiten über das Internetbereitgestellt. Bevor Studierende das Experiment onlinesteuern können, muss eine Wissensüberprüfungvorgenommen werden, welche aus Multiple-ChoiceFragen besteht.

Aufgrund der Tatsache, dass jedes Experiment nureinmal verfügbar ist, muss eine Zugriffskontrolleimplementiert werden. Nur registrierte Studentenbekommen den Zugriff auf das Experiment für einelimitierte Zeit. Deshalb ist die Implementierung derfernsteuerbaren Laborexperimente in einemsogenannten Webportal notwendig, welches dieRegistrierung und den Zugriff eines jedenExperimentes regelt.

REGELUNG FLEXIBLER STRUKTUREN

Bei großen flexiblen technischen Konstruktionen wieGebäuden, Flugzeugen oder Raumfahrtsystemen tretenStrukturschwingungen auf. Während für starre Gebildesehr genaue theoretische dynamische Modelleentwickelt werden können, sind Aufgabenstellungenwie Modellierung, Identifikation und Regler-entwicklung für flexible Strukturen deutlich schwierigerzu lösen. Am Institut für Regelungs- und Steuerungs-technik an der Universität Siegen wird in einemLaborversuch ein Experiment zur hochgenauenPositionierung und Schwingungsdämpfung bei flexiblenStrukturen entwickelt. Dazu wurde ein metallischerStab frei schwingend aufgebaut.

Die schematische Darstellung des SchwingendenStabes wird in Abbildung 1 gezeigt. Die Haupt-komponente ist ein Stab aus Aluminium, der direkt ander Ankerwelle eines Gleichstrommotors befestigt ist.Die Anregung des Stabes erfolgt am oberen Ende desStabes. Der Gleichspannungsmotor bringt als Aktuatorein Drehmoment auf das obere Ende des Stabes auf.Bei einem Vergleich des Stabquerschnittes (4x10 mm)mit der Stablänge (1600 mm), ist leicht erkennbar, dasses sich um ein hinreichend flexibles Gebilde handelt[1]. Das hier beschriebene Experiment geht aufUntersuchungen für die NASA zum Schwingungs-verhalten des Hubble Space Telescops zurück [2].

Bei der Durchführung dieses Versuchs sollen dieStudierenden die in der Vorlesung erarbeiteten

Regelungstheorien zur Schwingungsdämpfung aneinem realen System anwenden. Dabei müssen siedie Strukturschwingungen des Stabes analysieren,daraus ein theoretisches Modell erstellen, einigeSystemparameter identifizieren und schließlich eineRegelung entwerfen und den Algorithmusimplementieren. Mögliche Aufgabenstellungen sindz.B. den Stab möglichst schnell in Ruhelage zuversetzen, oder die Stabspitze auf einer bestimmtenPosition halten. Die erzielten Ergebnisse werdenaufgezeichnet und können später mittels der SoftwareMatlab mit der Daten der Simulation verglichenwerden. Dabei können Rückschlüsse auf dasEntwurfsmodell gezogen werden.

Hardware

Das Experiment ist über zwei Datenerfassungskartenmit einem Server verbunden. Eine Zählerkarte wertetdie Signale des Motorencoders aus. Die zweiteSchnittstellenkarte ist eine frei programmierbare Dig-ital-Analog - I/O Karte. Sie erfasst die Sensorsignaledes Positionssensors (PSD), sowie den tatsächlichenStrom am Motor. Zur Ansteuerung des Motor-verstärkers wird ein Analogausgang der Karteverwendet. Ein Operationsverstärker dient als Analog-Motorverstärker. Im Vergleich zu PWM Verstärkernwerden keine hochfrequenten Störungen erzeugt.

Abbildung 1: Schematische Darstellung desschwingenden Stabes.

Virtuelle Labors für Experimente... 209

Aktuatoren

Ein Gleichspannungsmotor der Firma Maxon dient zurAnregung und Regelung des Stabes. Der 250 WattMotor hat ein maximales Stillstandsdrehmoment vonca. 4 Nm.

Sensoren

Folgende Sensoren werden zur Messung derSchwingungen verwendet:

• PSD (Position Sensitive Detector) zurPositionserfassung der Stabspitze. An derStabspitze ist eine senkrecht nach unten strahlendeIR-Diode angebracht. Dieser analoge Sensormisst die Position des mit der IR-Diode erzeugtenLichtstrahles. Ein über dem PSD angebrachtesObjektiv erhöht den erkennbaren Arbeitsbereichdes Lichtstrahles (Position der Stabspitze). Derlichtempfindliche Analog-Chip mit dem Objektivist direkt unterhalb der Stabspitze, auf dem Bodenbefestigt.

• Zur Winkelmessung der Motorwelle wird ein 4-Quadranten Encoder verwendet, welcher imMotor integriert ist. Bei einer Auflösung von 4000Impulsen pro Umdrehung wird eine Winkel-genauigkeit von 0.09 Grad der Ankerwelleerreicht.

• Ein Lichtwellenleiter-Sensor wird zur Erfassungder Biegung des Stabes verwendet. Dassogenannte Shape-Tape beinhaltet acht Sensorenin einem Band, jeder Sensor hat eine sensitiveLänge von zehn Zentimetern.

Software

Zur Ansteuerung der Hardware kommt die SoftwareLabView 6.1 zum Einsatz. Die aktuelle Versionermöglicht das direkte Erstellen von Java-Applets,welche dann über einen Webbrowser geladen werdenkönnen (Abbildung 2). Der Browser erhält die volleKontrolle des Virtual-Instruments und kann so dieHardware ansteuern.

Die verwendete Software- und Hardware-kombination ist derzeit nicht echtzeitfähig. Die PCISchnittstellenkarten sind nicht mit einem eigenenProzessor ausgerüstet, und werden über den Serverunter Windows 2000 gesteuert. Deshalb wird dasSystem zurzeit mit LabView nur zur System-identifikation verwendet. Eine Erweiterung zurEchtzeit-Regelung des Stabes befindet sich in derEntwicklung, welche dann unter Windows 2000 mitMatlab und der Real-Time Windows Target Toolboxrealisiert werden kann. Dabei kann auf teure neue

Hardware verzichtet, und das vorhandene Systemkomplett übernommen werden.

Zur Bearbeitung dieses Experiments benötigt derBenutzer einen Webbrowser und Matlab. Um alsersten Schritt eine Systemidentifikation durchführenzu können, wird das System im offenen Regelkreisangeregt. Dazu wird eine Matlab Datei verwendet,die einen Vektor enthält, der die Ansteuerung desMotors beinhaltet. Diese Störsignale sind meistsinusförmig, überlagert mit weißem Rauschen.

Auf dem Server liegen mehrere unterschiedlicheDateien, die in einem Auswahlmenü selektiert werdenkönnen. Danach kann das Experiment über denBrowser gestartet werden. Der Client kann die beimSchwingungsexperiment gemessenen Sensordaten (innahezu Echtzeit) mitverfolgen. Die Messergebnissewerden dabei in einem eigenen Feld graphischdargestellt. Zusätzlich werden alle Messdaten in eineDatei geschrieben. Für die Systemidentifikation wirddiese Datei dann vom Benutzer heruntergeladen undin Matlab weiterverarbeitet (Abbildung 3). DieAnregungs-dauer hängt von der Länge der Stördateiab. Die Abtastrate der Sensordaten, sowie dieAnsteuerung des Motors erfolgt mit einer Frequenzvon 1 KHz. Als zweiter Schritt wird das mathematischhergeleiteten Modell mit dem identifizierten Modellverglichen, und entsprechend angepasst.

Anhand des ermittelten dynamischen Modells sollals nächster Schritt ein Regler zur Strukturdämpfung

Abbildung 2: LabView Java-Applet zur Fernsteuerungdes Schwingenden Stabes.

H. Roth et al210

und hochgenauen Positionsregelung entworfen werden.Der Regler sollte den gesamten Stab in möglichstkurzer Zeit in Ruhelage bringen. Das erarbeitetedynamische Modell mit der Regelung wird in Formeiner Simulation am PC nachgebildet, dadurch kannder entworfene Regler getestet und optimiert werden.Der aus der Simulation endgültig gewonnene Reglerwird auf den Kontrollrechner am Laborexperimentübertragen und die Regelung über das Internetgestartet. Dabei wird zuerst der Stab in Schwingungversetzt, danach direkt von Störung auf Regelungumgeschaltet. Nun kann durch die Analyse derSensordaten die Qualität der Regelung ermitteltwerden. Während der Versuchsdurchführung werdendie Messergebnisse der realen Anlage aufbereitet undin einem Browser in Form von Diagrammen zeitgleichdargestellt. Die Messergebnisse werden auf demServer gespeichert, von dort kann der Student dieDaten lokal auf seinen Rechner laden. Mit diesenDaten soll nun ein Vergleich zwischen den Sensordatendes realen Systems und dem Verhalten der Simulationhergestellt werden. Hierbei kann nun eine Aussagegemacht werden, wie gut die Modellbildung mit demrealen System übereinstimmt.

LabView erlaubt immer nur einem Benutzer dievolle Kontrolle über das Experiment. Des weiterenwird über eine Zugangskontrolle zum Experimentsichergestellt, dass immer nur ein Nutzer mit der Hard-ware arbeiten kann. Ein ähnlicher Experimentaufbau,jedoch mit anderen Sensoren (Beschleunigungs-sensoren statt des Lichtwellenleiters) wurde auch ander Ohio University realisiert und ist über Internetzugänglich. So können von den Studenten Vergleichezwischen beiden Sensorsystemen durchgeführt undderen Auswirkungen auf das Regelsystem analysiertwerden.

Entwicklung der Lehreinheiten

Der erste Teil der Lehreinheit beinhaltet dasdynamische Modell eines flexiblen Stabes ineindimensionaler Konstruktion. Dieses Modell wirdden Studenten nur teilweise zur Verfügung gestellt,wobei die Vervollständigung als Vorbereitungzum Experiment vom Studenten durchgeführt werdensoll.

Bei dem für die Lehreinheit verwendetendynamischen Modell, wird dem Studenten jedereinzelne Schritt verdeutlicht. Der Stab wurde nach derbekannten Methode von Euler-Bernoulli modelliert,wobei die Auslenkung orts- und zeitabhängignach folgender partieller Differentialgleichungabhängt:

(1)

Die Lösung erfolgt durch Separation von orts- undzeitabhängigen Funktionen unter Anwendung derAnfangswerte (Zeit) und Randbedingungen für dieOrtsfunktion.

(2)

Für die weitere Verarbeitung zum Zwecke derSystemidentifikation wird zunächst eine Näherung derersten sechs Modi verwendet.

Das dynamische Verhalten des flexiblen Stabes wirdnach der Lagrangeschen - Methode hergeleitet undführt schließlich auf die bekannte Vektor-Differential-gleichung

(3)

wobei q der Vektor der generalisierten Koordinaten,M die verallgemeinerte Massenmatrix, D dieDämpfungsmatrix, C die Federmatrix und G dieGravitationsmatrix beschreibt. Das Verhältnis derStabquerschnittsfläche zur Stablänge ist sehr klein,deshalb kann der Effekt der Gravitation vernachlässigtwerden [3].

(4)

Diese Form der Differentialgleichung kann einfachin der Modalen Zustandsform zweiter Ordnungausgedrückt werden. Die Zustandsgleichung in derModalform sieht nach [4] folgend aus:

(5)

Angewendet auf die Differentialgleichung aus (4):

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5experimental data

Time(seconds)

torquepositionangle

Abbildung 3: Abklingende Schwingung des Stabes. ( ) ( )0

,,2

2

4

4

=∂

∂+∂

∂t

txwm

x

txwEI o

∑=

=m

iii txtxw

1

)()(),( ηϕ

),())(()()()( tBtqGtCqtqDtqM τ=+++ &&&

mssss

mssss

DxCy

BxAx

Γ+=Γ+=&

)()()()( 111 tBMtCqMtqDMtq τ−−− +−−≈ &&&

Virtuelle Labors für Experimente... 211

(6)

Das Zustandsraummodell hat als Ausgang die Po-sition der Motorwelle C

ssa (Winkel), die Winkel-

beschleunigung der Motorwelle Cssv

, und die Positionder Stabspitze C

ssp (7).

(7)

Aus Gleichung (5) ist erkennbar, dass der untererechte Teil der A

ss Matrix die Dämpfung beinhaltet.

Bei der Systemidentifikation müssen diese Werteentsprechend den Daten des Testlaufes angepasstwerden. Die Parameter j aus Gleichung (6) stellen dieverschiedenen Mode-Shapes dar. Hier ist guterkennbar, das alle diese j mit dem Zustandsvektormultipliziert werden, was wiederum auf Gleichung(2) zurückzuführen ist.

Als Beispiel ist die ASS

Matrix eines Modellssechster Ordnung in Gleichung (8) dargestellt, darinsind also die ersten drei Schwingungsmodi desSchwingenden Stabes berücksichtigt.

MOBILER ROBOTER TOM

Ein weiteres interessantes Gebiet für teleoperativeExperimente sind mobile Roboter. An ihnen lassensich zahlreiche unterschiedliche Aufgaben erstellen.Die Aufgaben für Studenten in Laboren reichenvon regelungstechnischen Übungen für Motor-

steuerungen bis hin zu kooperativen Roboteraufgaben.Dabei können unterschiedliche Ziele angefahrenwerden, Gegenstände aufgenommen und übergebenwerden oder auch direkte Motorregler entworfenwerden.

An der Universität Siegen kommt der mobileRoboter TOM (Tele-Operated Machine) im Labor-betrieb zum Einsatz (Abbildung 4). Es handelt sichum ein dreirädriges Fahrzeug, welches auf einem4 m2 großen Arbeitstisch frei bewegt werden kann.Mit Hilfe dieses Roboters lassen sich Labor-experimente für Studenten sowohl im Bereich derReglungstechnik als auch der Robotik entwerfen.Derzeit wird der Roboter zu regelungstechnischenLaborexperimenten genutzt.

Abbildung 4: Der TOM Roboter.

[ ]

=

−−

=

=

−−− BMB

DMCM

IA

qqqqx

ssss

Tmm

T

111

00

00

...... &&

[ ][ ][ ]0)(...0)(0

)0(0...)0(010

0)0(...0)0(01

11

1

1

LLLC

C

C

ssp

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ϕϕϕϕ

ϕϕ

=′′=

′′=

+−−+−−

−+−−+−

−=

M

addJm

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M

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M

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M

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M

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M

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M

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bbfbbb

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22

21

22

22121

22212211111

2221

21

22

21

2

222111

222

22

21

21

0

0

0

100000

010000

001000

ωωω

ωωω

ωω (8)

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Aufbau des TOM Roboters

TOM ist ein dreirädriges Fahrzeug, von denen zweiRäder direkt über die zwei Antriebsmotoren betriebenwerden, das dritte Rad ist ein Nachlaufrad und dientlediglich der Stabilisierung des Roboters. Durch dieAnordnung der Achsen kann der Roboter, durchgegenläufiges Antreiben der Räder, auf der Stelledrehen. Zur Distanz und Richtungsmessung, unddadurch auch Geschwindigkeitsmessung, verfügt derRoboter über Sensoren (Encoder) [5][6]. DieseSensordaten dienen als Grundlage zur späterenModellbildung sowie dem Reglerentwurf. DieRoboterstruktur wurde aus Fischertechnik Bauteilenzusammengesetzt, allerdings besitzt der Roboterzusätzlich einen Mikrocontroller zur Ansteuerung derMotoren über einen Regler, sowie über ein LCD-Display zur Ausgabe der aktuell gespeichertenRoboterbefehle. Der Mikrocontroller ist freiprogrammierbar und gestattet den Entwurf weitererLaborversuche und auch die Implementierung andererRegelalgorithmen, wie beispielsweise Fuzzy Regler.Zudem kann der Roboter mit zusätzlichen Sensorenausgestattet werden, die ihm dann über eineentsprechende Programmierung weitere Fähigkeitenermöglichen. Denkbar ist hier zum Beispieleine Hinderniserkennung, wie sie in anderenmobilen Robotern an der Universität Siegen bereitsvorhanden ist.

Weiterhin ist TOM über ein Kabel mit demRoboterserver verbunden, um den Roboter an dasInternet anzuschließen. Diese Internetsteuerunggeschieht über ein Steuerungs-Applet.

Diese Anwendung ist dabei natürlich an denaktuellen Laborversuch, einen Geschwindigkeitsregler,gebunden. Andere Experimente erfordern selbst-verständlich einen anderen Aufbau der Benutzer-schnittstelle. Derzeit wird im Rahmen einer Diplom-arbeit die Steuerung des Roboters über einen Force-Feedback-Joystick entworfen. Solche Anwendungenkönnen also den bisherigen Einsatz eines Applets zurEingabe von Systemparametern weit übersteigen. DerRoboter ist also eine hinreichend flexible Arbeits-plattform.

Der TOM Roboter stellt ein ferngesteuertesExperiment dar. Trotzdem verfügt er als mobilerRoboter über ein hohes Maß an Bewegungsfreiheits-graden. Daher ist es unumgänglich, dass der Roboterwährend des Laborversuchs beobachtet werden muss,sei es zum Anfahren einer Startposition oder zumBeobachten eines Testlaufs. Die Überwachung desRoboters geschieht mit Hilfe einer Internetkamera(Webcam), die ein laufendes Videobild des Robotersliefert (Abbildung 5). Diese Kamera kann vom

Anwender beliebig geschwenkt und gezoomt werden,daher ist eine optimale Beobachtung des Robotersmöglich. Weiterhin können durch die hohe Auflösungund einen gerasterten Arbeitsbereich des RobotersPositionsmessungen durchgeführt werden.

Aktueller Laborversuch

Der TOM Roboter verfügt zurzeit über einenGeschwindigkeits- PI-Regler. Dabei sollen dieStudenten zunächst einen Testlauf mit dem Roboterdurchführen, um eine Systemanalyse durchführen zukönnen. Diese Daten werden dem Anwender vomServer über das Java-Applet zur Verfügung gestellt(Abbildung 6). Die graphische Ausgabe eines solchenTestlaufs ist in Abbildung 7 dargestellt.

Die Kurve zeigt den Weg-Zeit-Verlauf desRoboters. Damit kann die aktuelle Geschwindigkeitermittelt werden. Im Versuchsfeld des Robotersbefindet sich nun eine Rampe, über die der Robotergefahren werden soll. Ziel des Laborversuches ist derEntwurf eines Reglers, um einen Geschwindigkeits-einbruch beim Überfahren der Rampe zu verhindern.Dabei kann über die graphische Ausgabe desFahrverlaufs eine unmittelbare Abschätzungvorgenommen werden. Zusätzlich erhält derAnwender die Sensordaten auch als Tabelle, damitdie Daten in einer Simulations- und System-analysesoftware, beispielsweise Matlab, weiter-verarbeitet werden können.

Das Steuerungs-Applet

Die Kontrolle vom Anwender über den TOM Robotererfolgt gänzlich über das Internet, daher muss eine

Abbildung 5: Ansicht des Roboters über dieWebcam.

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systemunabhängige Programmierung erfolgen. Ausdiesem Zweck wurde sowohl die Benutzeranwendungals auch der Roboterserver in Java implementiert. DerTOM Server nimmt die Kommandos des Anwendersentgegen und übernimmt die direkte Steuerung desRoboters. Dazu werden Signale wie Zeitdauer,Reglerparameter und Spannungswerte an denMikrocontroller des Roboters gesandt, die eigentliche

Bearbeitung der Steuerbefehle sowie die Regelung derAntriebsräder übernimmt der Roboter dann selbst, derServer dient lediglich als Kommunikationsschnittstellezwischen Internet und Roboter.

Die Benutzerschnittstelle auf der Anwenderseiteist über ein Java-Applet realisiert worden, um eineeinfache Verfügbarkeit für viele Studenten zugewährleisten [7]. Zum Ausführen des Experimenteskönnen die Studenten über die Internetseiten desLabors direkten Zugriff erhalten. Innerhalb des Appletskönnen dann einfache Steuerungskommandos überEingabefelder an den Roboter gegeben werden. ImBeispielversuch zur Implementierung einesGeschwindigkeitsreglers kann die Motorspannung fürjedes Antriebsrad im Bereich von ±12 V und dieZeitdauer angegeben werden, in der der Roboter sichbewegen darf. Zum anderen können aber auch fürPI-Geschwindigkeitsregler die ReglerparameterK

I und K

P gesetzt werden.

Experimentverlauf

Der Einsatz von ferngesteuerten Laborversuchenermöglicht vielen Studenten die Benutzung einesExperiments, ohne direkt vor Ort sein zu müssen. Dader Student dabei allerdings auf sich selbst gestellt ist,muss die Anleitung zum Experiment und ein Verlaufzur erfolgreichen Durchführung gegeben werden. DieseOnline-Unterstützung muss dabei sowohl die Versuchs-beschreibung als auch die Hilfe, die sonst durch einenLaboringenieur gegeben werden könnte, beinhalten.

Um dem Studenten einen sog. roten Faden zugeben, an dem er sich durch die Versuchsbeschreibungarbeiten kann, wurde eine virtuelle Welt geschaffen,in der er verschiedene Stationen bearbeiten kann.Dabei werden innerhalb der virtuellen Umgebungeinzelne Aufgabenbereiche erst nach erfolgreicherAbsolvierung bestimmter Teilaufgaben frei geschaltet.

Es können einige Aufgabenteile, wie beispielsweisedas Bearbeiten der einführenden Versuchs-beschreibung, vom Studenten selbst als abgeschlossengesetzt werden und ein Weitergehen wird ermöglicht.Andere Aufgaben, wie das Einstellen der System-parameter, können erst nach einer vollständigen undkorrekten Analyse als bearbeitet betrachtet werden.Generell kann jeder der Aufgabenteile den Statusbearbeitbar, gesperrt, bereits abgeschlossen oderunter Bearbeitung annehmen. Diese Zuständewerden dem Anwender über die unterschiedlicheFarbe der Kugeln, welche die Aufgabenteile darstellen,in der virtuellen Umgebung mitgeteilt.

In Abbildung 8 ist die virtuelle Umgebung zuerkennen. Dabei sind gesperrte Aufgabenteile als roteKugeln dargestellt, es sind Aufgaben, wie das

Abbildung 6: Die Benutzerschnittstelle.

Abbildung 7: Weg-Zeit-Diagramm eines Testlaufs.

H. Roth et al214

Einstellen der Systemparameter, die ohne vorherigeAnalyse des Systems nicht zu bestimmen sind. BlaueKugeln sind zurzeit bearbeitbar und stellen denaktuellen Stand des Studenten im Laborversuch dar,wohingegen die gelben Kugeln die erledigtenAufgabenteile widerspiegeln. Grüne Kugelnsymbolisieren die derzeit unter Bearbeitung stehendeTeilaufgabe. Um die unterschiedlichen Zuständeverwalten zu können, verfügt die Umgebung überJavascript Befehle mit Anbindung an Matlab. Damitkönnen die analysierten Systemparameter von dervirtuellen Laborumgebung überprüft und bewertetwerden. Weiterhin kann über die Matlab Anbindungder aktuelle Bearbeitungs-zustand des Experiments fürjeden Studenten gespeichert werden. So kann eineinmal begonnenes Experiment auch an folgendenTagen weitergeführt werden, ohne jedes Mal vonvorne beginnen zu müssen. Der Student sollte sich ander gleichen Stelle wiederfinden, an der er dasExperiment unterbrochen hat.

Während der Durchführung des aktuellenferngesteuerten Experiments zur Erstellung einesGeschwindigkeitsreglers müssen die Studentenverschiedene Stationen durchlaufen:

• Versuchsbeschreibung und Einführung desExperiments lesen, welche die didaktischen Zieleund den theoretischen Hintergrund enthalten.

• Eine Systemidentifikation des Robotersdurchführen und diesen in Matlab Simulink mitanschließender Verifikation simulieren.

• Aus den gewonnenen Daten mit Hilfe der Ziegler-Nichols-Methode einen Regler entwerfen.

• Nach einem erneuten Testlauf die erhaltenenSensordaten zur Reglerverifikation mit Hilfe vonMatLab Simulink einsetzen.

• Einen abschließenden Ablauf des Roboters mitden gewonnenen Reglerparametern durchführen.

E-LEARNING-PORTALLEARN2CONTROL (L2C)

Typischerweise assoziiert man mit einem Internet-Portal eine WebSite, die ein Eingangstor zum Internetoder einen ersten Anlaufpunkt für das Surfen im WorldWide Web darstellen will. Derartige Portale integrierenumfangreiche Dienste, z.B. Suchmaschinen, FAQs,Foren, usw., um das Auffinden von Informationen imInternet zu erleichtern. Eine besondere Form einesInternet-Portals ist das themenspezifische Portal, dassich auf ein spezielles Thema konzentriert und zudiesem umfassende Inhalte in vielfältiger Form liefert.

Ein solches themenspezifisches Portal stellt dase-Learning-Portal Learn2Control dar. Es will Methodender Regelungstechnik durch projektorientiertes Lernenvermitteln [8]. Mit den Möglichkeiten des Internetskann hiermit eine multimediale Lernumgebung zurVerfügung gestellt werden, mit der Lernen via Internetmöglich sein soll. Diese Form des Lernens bietet demBenutzer, auf der Basis diverser Hilfsmittel, definierteLernziele eigenverantwortlich zu lösen. Hilfsmittel undLernziele werden durch den sog. Provider derLehrinhalte vorgegeben.

Lehrinhalte in Learn2Control (l2c) werden in sog.Lernmodulen angeboten. Grundsätzlich gliedert sicheine Lehreinheit in drei separate Teile: allgemeineInformationen, die Lerneinheit und das Tele-Experiment (siehe Abbildung 9). Die allgemeinenInformationen geben eine grobe Beschreibung derLehreinheit wieder. Mit der Lerneinheit hingegen solleneinerseits Inhalte der Regelungstechnik vermitteltwerden und andererseits dient sie der Beschreibungund der theoretischen Vorbereitung des Tele-Experiments. Hier finden sich Skripte, Manuals,Literaturlisten, evtl. Simulationen, Testfragen undMultiple-Choice-Aufgaben. Das Tele-Experimentschließlich stellt einen realen Laboraufbau dar, der alsFernversuch via Internet gefahren werden kann.

Abbildung 8: Die virtuelle Lernumgebung.

Lernmodul

Allgemeine Informationen

Lerneinheit

(Tele-) Experiment

Abbildung 9: Lernmodul, bestehend aus allgemeinenInformationen, Lerneinheit und Tele-Experiment.

Virtuelle Labors für Experimente... 215

Die Architektur von Learn2Control sieht nun vor,dass mehrere Provider eigene Lernmodule auf einemoder mehreren externen bzw. eigenen WebServernzur Verfügung stellen (siehe Abbildung 10). Erstellungund Pflege der Inhalte eines Lernmodules und dasHosten liegt also in der Verantwortung desentsprechenden Providers. Die Registrierung undVerwaltung der Benutzer und Lernmodule hingegenobliegen dem übergeordneten e-Learning-PortalLearn2Control.

Ein derartiges verteiltes System an Web-Ressourcen stellt bezüglich Sicherheit undZugriffsrechten auf Portal-Ressourcen wie aufexterne Lernmodule erhöhte Anforderungen. DasLearn2Control-Portal integriert die einzelnenLernmodule und darüber hinaus besitzt es ein Book-ing System, Sicherheitssystem, Portal-Service-Mod-ule (News, Newsletters, Foren, FAQs, usw.),Registrierung, Login usw.

Das Learn2Control-Portal basiert auf dem Con-tent-Management-System PHPNuke [9]. Als System-voraussetzung benötigt es einen WebServer mit eigenerMySQL-Datenbank und PHP-Unterstützung. Für dieVerwaltung und Zeitreservierung von Tele-Experimenten wurde PHPNuke um ein BookingSystem und ein entsprechendes Sicherheitssystemerweitert.

Learn2Control – Booking System

Das Booking System unterscheidet zwischen vierBenutzergruppen: normale WebSurfer, USER,COACH und PROVIDER. WebSurfer sind Internet-benutzer ohne Registrierung welche ausschließlich dieallgemeinen Informationen des l2c-Portals und derLernmodule einsehen können.

Bei der Registrierung als USER muss der Benutzereinerseits einen Betreuer (COACH) seiner Universität/Fachhochschule mit Namen und Email und andererseits

das gewünschte Tele-Experiment angeben können. DieRegistrierungsdaten erhält der COACH als E-Mail undkann daraufhin den Benutzer innerhalb des Portalsfreischalten. Mit diesem Status darf der USER nunLerneinheiten nutzen, Zeitreservierungen für Tele-Experimente vornehmen (siehe Abbildung 11) und dementsprechend Tele-Experimente durchführen.

Die Registrierung eines COACH verhält sichanalog der USER-Anmeldung. Allerdings muss hierals Betreuer der jenige PROVIDER gewählt werden,dessen Tele-Experiment der COACH betreuenmöchte.

Ein PROVIDER erstellt und editiert Lernmodule,jeweils bestehend aus allgemeinen Informationen,Lernmodulteile und Tele-Experiment. Jedes dieserLehreinheitsteile kann er innerhalb des l2c-Portalsseparat als Link eintragen. Ein PROVIDER wird vomAdministrator des l2c-Portals angemeldet oder kannvon einem anderen Provider der selben Universität/Fachhochschule registriert werden.

Learn2Control – Sicherheitssystem

L2c- und Provider-WebPages sollen stets nach einerAuthentifizierung innerhalb des l2c-Portals vomClient genutzt werden können. Derartige WebPageskönnten jedoch auch über Bookmark/Favoriten odersonstige Linklisten unter Umgehung des l2c-Logingeladen werden. Unerwünschterweise stehen damitauch unregistrierten Websurfern alle l2c-Ressourcenohne Beschränkung zur Verfügung.

Daher werden innerhalb des l2c-Portal fürordnungsgemäß autorisierte Benutzer die Benutzer-Daten in anonymisierter Form (User- und Session-ID-Nr.) generiert. Diese müssen für die weitere

L e a rn 2 C o n tro l- P o rta l ( l2 c )

W ebServer m it L iste von

Lernm odu le : L ink Lernm odul I L ink Lernm odul II L ink Lernm odul III L ink Lernm odul IV L ink Lernm odul V

P rovider 1 m it Lernm odul I

P rovider 2 m it Lernm odul II

P rovider 3 m it Lernm odul III

P rovider 4 m it Lernm odul IV

P rovider 5 m it Lernm odul V

Abbildung 10: Learn2Control-Portal und die externgehosteten Lernmodule.

Abbildung 11: Learn2Control-Portal: Übersicht allerZeit-reservierungen eines Tele-Experiments (Mitte)mit der Möglichkeit weiterer Zeitreservierungen(rechts).

H. Roth et al216

Nutzung sowohl der internen l2c-WebPages, wie auchder externen Provider-WebPages verfügbar sein.Ähnlich der Internet-Cookie-Technik werden daherdiese Daten im sog. Matlab-Workspace des lokalenSystems des Benutzers gespeichert. Der Benutzermuss also die Software Matlab, das dazu passendeMatlab-PlugIn und den Webbrowser Netscape 4.7xauf seinem System installiert haben.

Das Speichern der Daten und deren Überprüfungim l2c-Portal erfolgt in jeweils zwei separatenSchritten. Beim Wechseln von der l2c-Portal-WebPage zur Provider-WebPage gelangt der Benutzerzunächst auf eine sog. Last-WebPage des l2c-Por-tals. In dieser ist ein JavaScript integriert, welches einenBrowser-, Versions- und Matlab-Plugin-Ceckdurchgeführt. Bei erfolgreicher Prüfung wird Matlabgestartet und die o.g. Benutzerdaten in den Matlab-Workspace geschrieben.

Im nächsten Schritt kann der Benutzer nun zurProvider-WebPage wechseln. Alle jetzt folgendenProvider-WebPages werden innerhalb von Framesdargestellt. Entsprechend Abbildung 12 sind in Frame-und Provider-WebPage diverse l2c-JavaScripts, l2c-Applet und das Matlab-PlugIn integriert. Diese, voml2c-Portal zur Verfügung gestellten Ressourcen stellenin Verbindung mit dem l2c-Portal selbst das

Sicherheitssystem dar, mit dem User-, Reservierungs-zeit-Check und Timeout realisiert werden:

• Der Provider unterscheidet zwischen Lerneinheit-und Tele-Experiment-WebPages, die vomSicherheits-system unterschiedlich behandeltwerden müssen. Der Provider integriert daher einentsprechendes l2c-JavaScript in seiner Web-Page, worin der Typ der WebPage als Variablegespeichert ist.

• In regelmäßigen Zeitabständen ließt das l2c-Applet den Typ der Provider-WebPage ausdiesem l2c-JavaScript, die User- und Session-ID-Nr. via Matlab-PlugIn aus dem Matlab-Workspace und sendet diese Daten an dasl2c-Portal zur Überprüfung.

• Im Falle einer Experiment-WebPage werden dieUser- und Session-ID auf Gültigkeit geprüft.Darüber hinaus wird die Aktualität der Zeit-reservierung getestet. Im Falle einer Lerneinheit-WebPage werden lediglich die User- undSession-ID auf Gültigkeit überprüft.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Lernmodule können in drei Teile unterteilt werden:generelle Laborbeschreibung und Information,eigentliche Lerneinheit und das Experiment selbst.Sowohl die Beschreibungen als auch die Lerneinheitenkönnen als Internetmedien, sprich Webseiten,angeboten werden. Die Laborexperimente hingegenwerden nicht als reine Simulation angeboten, sondernstellen vielmehr ein real existierendes Experiment überdas Internet ferngesteuert zur Verfügung. Da dieInternetnutzung prinzipiell für jedermann möglich ist,werden für das Anbieten von ferngesteuertenLaborversuchen spezielle Anforderungen an dasLearn2Control Webportal gestellt. Ein umfassendesReservierungssystem garantiert hier eine sichereVerwaltung der Benutzer und Ressourcen, in diesemFall des Roboters oder schwingenden Stabs.

Weitere Arbeiten am schwingenden Stabverbessern und erweitern die Möglichkeiten diesesLaborexperiments. Die gegenwärtige Implementierungdes Reglers in einer LabView Programmierumgebungkann die Echtzeitanforderung nicht erfüllen. DieseProblematik kann jedoch durch die Realisierung inMatlab Simulink mit Hilfe der Real-Time WindowsTarget Toolbox realisiert werden. Damit lässt sich derRegler mit der vorhandenen National InstrumentsDAQ Hardware realisieren und kann direkt überSimulink angesteuert werden. Erste Testergebnissezeigen dabei ein sehr gutes Echtzeitverhalten.

Der Einsatz von mobilen Robotern, in diesem FallTOM, ermöglicht vielen Studenten den Zugang zu

Abbildung 12: Sicherheitssystem mit User-, Zeit-reservierungs-Check und Timeout.

Client- W ebBrow ser

L earn 2 C o n tro l-P o rta l P ro v id e r 1 m it L e rn m o d u l I

P ro v id e r 2 m it L e rn m o d u l II

P ro v id e r 3 m it L e rn m o d u l III

P ro v id e r 4 m it L e rn m o d u l IV

P ro v id e r 5 m it L e rn m o d u l V

F ram ese t l2c-Ja vaS c rip t l2c-A pp le t

P rov ider- W ebP age

l2c-Ja vaS c rip t

Client Matlab-W orkspace

P orta l + M yS Q L

l2c -A pp le t M atlab - P lug In

Virtuelle Labors für Experimente... 217

einer sehr interessanten Technik der heutigen Zeit.Gleichzeitig ist es nicht notwendig, ständig mehrereRoboter für den Laborbetrieb bereit zu halten.Trotzdem ist der Aufbau eines ferngesteuertenLaborexperiments sicherlich aufwendiger, als einereine Simulation. Im Gegensatz dazu weist jedoch dieseVorgehensweise deutliche Vorteile gegenüber derSimulation auf. Zum einen treten in realen Prozessenunvorhergesehene Eigenschaften und Probleme auf,zum anderen ist für Studenten der Einsatz eineswirklichen Roboters, und sei er auch ferngesteuert,interessanter. Die gut erweiterbare Plattform des TOMRoboters gewährleistet zudem die Entwicklungzahlreicher Experimente in unterschiedlichenBereichen, so dass Studenten auf lange Sicht dieSteuerung von mobilen Robotern von der Regelungbis hin zur Kooperation erlernen können. In nächsterZukunft wird auch ein Laborexperiment zurSensordatenfusion mit Kalman Filter implementiertwerden, welches bereits auf anderen mobilen Roboternam Institut für Regelungs- und Steuerungstechnikverfügbar ist.

DANKSAGUNG

Wir danken dem BMBF (Bundesministerium fürBildung und Forschung), dem UVM (Universitäts-verbund Multimedia des Landes Nordrhein-Westfalen)und der Europäischen Kommission für die finanzielleUnterstützung unserer Projekte.

REFERENZEN

1. Muenst, G. und Roth, H., Sensoring and controlfor flexible structures. Workshop on Tele-Education in Mechatronics Based on VirtualLaboratories, Weingarten, Deutschland, 60 (2001).

2. Irwin, R.D., Adami, T.M., Roth, H., Münst, G.und Rösch, O., Sensor and control concepts forthe Internet-based Flexlab experiment. Workshopon Internet Based Control Education, IBCE’01,Madrid, Spanien, 231-234 (2001).

3. Gawronski, W.K., Dynamics and Control ofStructures; A Modal Approach. Heidelberg:Springer Verlag (1998).

4. Rahn, C.D., Mechatronic Control of DistributedNoise and Vibration: a Lyapunov Approach.Berlin: Springer Verlag (2001).

5. Everett, H.R., Sensors for Mobile Robots –Theory and Application. Wellesley: AK Peters(1995).

6. Schilling, K., Remote sensor data acquisition andcontrol. Proc. Tunisian-German Conf.: SmartSystems and Devices, Hammamet, Tunesien, A2(2001).

7. Overstreet, J.W. und Tzes, A., An Internet-basedreal-time control engineering laboratory. IEEEControl Systems Magazine, Oktober (1999).

8. Learn2Control - Multimediale Lernumgebung fürprojektorientiertes Lernen der Methoden derRegelungstechnik (2001),http://www.learn2control.de

9. PHPNuke, http://www.phpnuke.de

BIOGRAPHIEN

Prof. Dr.-Ing. Hubert Rothist Professor an derUniversität Siegen fürRegelungstechnik undMechatronik. Außerdemleitet er das Steinbeis-T r a n s f e r z e n t r u mAngewandte Rechner- undSoftware-Technologien.

Er arbeitete fünf Jahrein der Raumfahrtindustrie.

In Lehre und Forschung befasst er sich schwerpunkt-mäßig mit der Entwicklung effizienter Steuerungs-und Regelungsstrategien für mobile Roboter, beiaktiver Schwingungsdämpfung und in der Raum-fahrt.

Otto J. Rösch erhielt seinDiplom im Bereich derTechnischen Informatik undden Abschluss als MSc inMechatronics von der FHRavensburg-Weingarten.

Er ist gegenwärtigw i s s e n s c h a f t l i c h e rMitarbeiter am Institut fürRegelungs- und Steuerungs-technik an der Universität

Siegen. Sein Arbeitsgebiet umfasst Ferndiagnose undFernsteuerung von industriellen Anlagen, sowie dieVibrationsdämpfung flexibler Strukturen.

Jörg Kuhle schloss seinStudium an der UniversitätSiegen als Dipl.-Ing. ab.Zurzeit ist er wissen-schaftlicher Mitarbeiter amInstitut für Regelungs- undSteuerungstechnik an derUniversität Siegen. SeinSchwerpunkt liegt imBereich der mobilen undkooperativen Roboter.

H. Roth et al218

Alexander Prusak schlosssein Studium an derUniversität Siegen imBereich der Nachrichten-technik als Dipl.-Ing. ab.Er ist wissenschaftlicherMitarbeiter am Institutfür Regelungs- undSteuerungstechnik derUniversität Siegen. SeinerHauptarbeitsgebiet: Tele-

Robotik und e-Learning via Internet im BereichRegelungstechnik.

Ana Hernán González istStudentin der UniversitätCarlos III in Madrid(Spanien). Sie Studiert amdortigen Lehrstuhl fürAutomatisierungs- undRegelungstechnik. Gegen-wärtig absolviert Sie IhrerDiplomarbeit am Institut fürRegelungs- und Steuerungs-technik der Universität

Siegen im Bereich der Schwingungsdämpfung undFeinpositionierung flexibler Strukturen.