Navodila za izdelavo diplomske naloge

Transkripcija

1 Kristina Trajkovska Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Diplomsko delo Maribor, september 2013

2

3 II Diplomsko delo univerzitetnega visokošolskega strokovnega študijskega programa Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Študent: Študijski program: Kristina Trajkovska UN ŠP 1. stopnje Mehatronika Mentor FERI: Mentor FS: Lektor(ica): red. prof. dr. Riko Šafarič izr. prof. dr. Karl Gotlih Darinka Verdonik

4 III

5 IV

6 V

7 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.

8 VII

9 VIII Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida 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.

10 IX

11 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.

12 XI

13 XII VSEBINA 1 UVOD PREDSTAVITEV SISTEMA IN GRADNJE STEREO RAČUNALNIŠKEGA VIDA MEHANIZEM... 3 Motorji ELEKTRONSKI DELI... 6 Napajalnik... 6 Kartice za krmiljene motorja... 7 Brezkontaktna končna stikala... 8 Kartica integracije... 9 Krmilnik NI PXI Kamere PROGRAMSKA OPREMA IZDELAVA PRVE OSI SERVOPOGONA STEREO RAČUNALNIŠKEGA VIDA S CAD PROGRAMOM CATIA IN MATLAB REGULACIJA PRVE OSI MEHANIZMA IZDELAVA SERVOPOGONA PRVE OSI ROBOTSKEGA PROTOTIPA S CAD PROGRAMOM CATIA MATLAB SIMULACIJA ZA PRVO OS SERVOPOGONA STEREO RAČUNALNIŠKEGA VIDA NAČRTOVANJE PID-REGULATORJA S POMOČJO BODEJEVEGA DIAGRAMA IZVEDBA SIMULACIJE PID-REGULATORJA ZA PRVO OS ZAKLJUČEK VIRI, LITERATURA PRILOGE SEZNAM SLIK... 44

14 XIII 6.2 SEZNAM PREGLEDNIC NASLOV ŠTUDENTA KRATEK ŽIVLJENJEPIS... 46

15 XIV UPORABLJENI SIMBOLI i Z 1 Z 2 U a J m J b J p i a ω m -prestavno razmerje -število zob pastorka -število zob zobnika -napetost na motorju -vztrajnostni moment rotorja motorja -vztrajnostni moment bremena -vztrajnostni moment z upoštevanim reduktorjem -tok na motorju -hitrost motorja F mot (s) -prenosna funkcija motorja F r (s) K d K p K t K T t -prenosna funkcija regulatorja -parameter diferencialnega dela -parameter proporcionalnega dela -parameter integralnega dela -konstanta regulatorja -časovna konstanta regulatorja ϕ rez -fazna rezerva A pr F 0 (s) -maksimalni prenihaj -prenosna funkcija odprte regulacijske zanke

16 XV UPORABLJENE KRATICE NI PXI DC motor PVC PCI NT/XP IEEE Mbps LabVIEW -National Instruments -PCI extensions for Instrumentation -Direct Current motor -Poly Vinyl Chloride (Polivinil klorid) -Peripheral Component Interconnect -Operacijska sistema proizvajalca Microsoft -Institute of Electrical and Electronics Engineering -Megabits per second (Megabitov v sekundi) -Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench NC krmiljenje -Numerical Control (Numerično krmiljenje) MAX CAD CATIA MATLAB -Measurement and Automation Explorer -Computer Aided Design -Computer Aided Three dimensional Interactive Application -Matrix laboratory PID regulator -Proporcialno-Integralni Diferencialni regulator

17 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.

18 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 2 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.

19 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 3 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,

20 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 4 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: - Motorji Slika 2.2: Primerjava stereo računalniškega vida s človeško glavo 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 U an Nazivna napetost 12 V n N Nazivni vrtljaji 5800 min -1 I max Maksimalni tok 1,5 A P Moč 15 W R a Upornost navitja 2,5 Ω L a Induktivnost navitja 300 μh

21 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 5 M Masa 190 g N Resolucija inkrementalnega dajalnika 144 J m Vztrajnostni moment 17,6e-7 kgm 2 K m Konstanta navora 1,95e-2 Nm/A T m Mehanska časovna konstanta 12 ms P Moč 15 W I 0 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. i Z Z Slika 2.3: Enosmerni motor z reduktorjem 2 = = = (2.1) ,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.

22 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 6 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 DE ) za prvo os Podatek Opis Vrednost U an Nazivna napetost 12 V n N1 Nazivni vrtljaji na gredi motorja 6200 min -1 n N2 Nazivni vrtljaji na gredi rotorja 310 min -1 I max Maksimalni tok 0,7 A R a Upornost navitja 18 Ω I Prestava jermenskega reduktorja 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].

23 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 7 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 PIregulatorja. 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.

24 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 8 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.

25 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 9 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

26 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 10 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

27 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 11 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 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.

28 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 12 Slika 2.10: Kamera Fire-i TM 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.

29 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 13 - 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

30 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 14 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.

31 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 15 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)

32 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 16 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.

33 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 17 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

34 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 18 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

35 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 19 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.

36 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 20 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.

37 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 21 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 DE

38 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 22 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: dia - električni del: Ua = Ra ia + La + Ku ωm dt J b dωm - mehanski del: K m i a = J m + + B ω 2 m i dt Obe komponenti povezuje konstanta K m, ki je podana skupaj z ostalimi konstantami in izračuni v tabeli (2.1). Izhod (W mot ) iz podsistema matematičnega modela enosmernega DC-motorja smo peljali na integrator, s pomočjo katerega smo dobili dejanski položaj.

39 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 23 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: F mot ( s) = s K K K ( 1+ s T ) ( 1+ s T ) + K K K K s e e meh M meh e u M meh (3.1) K F r + s t ( s) + K d s K p =, (3.2) kjer je: K t parameter integralnega dela, K d parameter diferencialnega dela, K p parameter proporcionalnega dela. Prenosno funkcijo regulatorja smo lahko poenostavili, saj je integralno ojačanje nič.[6] (enačba 3.3):

40 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 24 F r d ( s) = K + s = K ( 1+ s T ) p K K p 1, (3.3) n kjer je: K konstanta regulatorja, T n 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 ( ϕ ) in maksimalni prenihaj ( A pr ) [11]. Fazna rezerva, pri rez kateri maksimalni prenihaj ne presega 5 %, znaša diagramom definiramo parametre regulatorja. 65 (enačba 3.6). Z Bodejevim rez [ ] = A [%] ϕ, (3.5) 70 pr kjer je: ϕ rez fazna rezerva, A pr maksimalni prenihaj, rez [ ] = 70 5% = 65 ϕ. (3.6) Slika 3.11: Poenostavljena shema regulacije Prenosno funkcijo odprte regulacijske zanke (enačbo 3.4) dobimo z enačbo (3.1):

41 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 25 F o ( s) F ( s) F ( s) = (3.4) r mot 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 J m = kgm 2. 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 s n ) do najmanjšega (stopnja s 0 ) (F mot, Priloga 3 2). Časovna konstanta regulatorja T n je zelo pomembna, saj sprememba le-te vpliva na amplitudo in fazo Bodejevega diagrama za PIDregulator. Najprej pri načrtovanju vstavimo vrednosti za T n = 1 s, T n = 100 s in T n = 1000 s, pri konstantni vrednosti K = 1. Potem s spreminjanjem K nastavimo vrednost amplitude za vse tri vrednosti T n. Iz krivulj Bodejevega diagrama pri K = 1 in T n = 1 s (slika 3.12) najdemo najustreznejšo točko za določeno fazno rezervo 65 (enačba 3.7): = 115 (3.7)

42 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 26 Slika 3.12: Bodejev diagram K = 1, T n = 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. [ db] 20 log K = (3.8) K 10 Podatke, ki smo jih dobili v formuli (3.8), upoštevamo v formuli (3.9). Za vrednost K [ db] 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. K [ db] K = 10 = 10 = (3.9)

43 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 27 Za T n = 100 s in T n = 1000 s naredimo na isti način kot pri T n = 1 s. K = 10.6 db odčitamo iz Bodejevega diagrama pri T n = 100 s (slika 3.13): Slika 3.13: Bodejev diagram K = 1, T n = 100 s za prvo os Dobimo K = decibelov (enačba 3.10): K [ db] K = 10 = 10 = (3.10) K = 8.97 db odčitamo iz Bodejevega diagrama pri T n = 1000 s (slika 3.14). Slika 3.14: Bodejev diagram K = 1, T n = 1000 s za prvo os

44 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 28 Dobimo K = (enačba 3.11): K [ db] K = 10 = 10 = (3.11) Dobljene podatke za K = in T n = 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 = in T n = 1 s za prvo os Pri ostalih dveh parih parametrov (K = in T n = 100 s, K = in T n = 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 7 Za vztrajnostni moment celotnega sistema smo vzeli iz vira [6] J m = kgm 2, čemur smo dodali vrednost vztrajnostnega momenta jermenic J b = kgm 2. Povečati smo morali tudi konstanti K u ter K m za 2 krat.

45 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 29 Način risanja v programu Matlab je enak kot pri izvedbi regulacije z enim motorčkom. Iz Bodejevega diagrama (slika 3.16) ugotovimo, da fazi radianih na sekundo, ustreza amplituda K = 45 db. 115, ki se nahaja na 3870 K = decibelov (enačba 3.12): Slika 3.16: Bodejev diagram K = 1, T n = 1 s za prvo os K [ db] K = 10 = 10 = (3.12) Za T n = 100 in T n = 1000 naredimo isto kot pri T n = 1, da določimo K. Za T n = 100 s K znaša 1.838, za T n = 1000 s pa je K = Dobljene podatke za K = in T n = 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.

46 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 30 Slika 3.17: Stopnični odziv pri K = in T n = 1 s za prvo os Izvedba regulacije z enim, vendar močnejšim motorjem WEEE DE 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.

47 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 31 Slika 3.18: Parametre za izvedbo regulacija z enim močnejšim motorčkom Za testiranje kvalitete regulatorja položaja za novi močnejši motorček WEEE DE 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 Slika 3.19: Stopnični odziv na položajno stopnico prve osi pri regulaciji položaja z enim močnejšim motorčkom WEEE DE

48 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 32 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 DE 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.

49 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 33 5 VIRI, LITERATURA [1] Dokumentacija za induktivno stikalo in REED magnetno stikalo, dostopno na: (september 2012). [2] S. Korat, Gradnja krmilno napajalnega dela mehanizma robotskega vida, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Maribor, [3] National Instruments, Motion control NI-motion user manual, dostopno na: (september 2012). [4] National Instruments, Motion control NI 7350 user manual, dostopno na: ( september 2012). [5] National Instruments, Motion control Getting started with NI-motion, dostopno na: (september 2012). [6] T. Peinkiher, Načrtovanje in izvedba vodenja robotskega stereo vida, Fakulteta za strojništvo, Maribor, [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, [9] J. Marguč, Načrtovanje in izdelava vodenja servopogona mehanizma stereo računalniškega vida, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Maribor, [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, september 2005, Slovenska sekcija IEEE, 2005, Ljubljana, str [11] LabVIEW, dostopno na: (september 2012). [12] Math Works, Matlab 7 Getting Started Guide. Dostopno na WWW: [ ]

50 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 34 [13] Math Works, Simulink 7 Getting Started Guide. Dostopno na WWW: [ ] [14] Wikipedia, Vmesnik IEEE Dostopno na WWW:

51 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 36 6 PRILOGE Slika 6.1: podprogram za iskanje reference

52 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 37 Slika 6.2: čelna plošča LabVIEW

53 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 38 Slika 6.3: stanje Nastavitev parametrov LabVIEW

54 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 39 Slika 6.4: stanje Iskanje reference LabVIEW

55 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 40 Slika 6.5: stanje Premikanje LabVIEW

56 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 41 Slika 6.6: stanje Ustavitev LabVIEW

57 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 42 M datoteka (priloga 3-1) odziv motorja: cas=6; Tsample=1e-3; zac=1; Uamax=12; La=300e-6; Ra=2.5; Ku=0.0195; Km=0.0195; Jb=0.052; Jm=17.6e-7; B=1e-6; Szel=2*pi; Kp=? Ki=? Kd=? %trajanje simulacije %cas sempliranje simulacije %zacetek stopnice na step generatorju %najvisja vrednost stopnice na step generatorju %induktivnost navitja [mh] %upornost navitja [ohmov] %napetostna konstanta [Vs/rad] %konstanta navora [Nm/A] %vztrajnostni moment obremenitve [kg*m^2] %vztrajnostni moment motorja [kg*m^2] %viskozno trenje [Nms/rad] %nastavitve PID regulatorja %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=?;

58 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 43 La=300e-6; Ra=2.5; Ku=0.0195; Km=0.0195; Jb=?; Jm=17.6e-7; B=1e-6; i=9.1; Fr=tf([K*Tn K],[1]) %induktivnost navitja [mh] %upornost navitja [ohmov] %napetostna konstanta [Vs/rad] %konstanta navora [Nm/A] %vztrajnostni moment obremenitve [kg*m^2] %vztrajnostni moment motorja [kg*m^2] %viskozno trenje [Nms/rad] %prestavno razmerje zobnikov %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 bode(fo) %prenosna funkcija sistema %izris Bodejevega diagrama grid M datoteka (priloga 3 3) Step odziv %zaprta zanka in step odziv clear all clc K=?; Tn=?; La=300e-6; Ra=2.5; Ku=0.0195; Km=0.0195; Jb=?; Jm=17.6e-7; B=1e-6; i=9.1; Fr=tf([K*Tn K],[1]) %induktivnost navitja [mh] %upornost navitja [ohmov] %napetostna konstanta [Vs/rad] %konstanta navora [Nm/A] %vztrajnostni moment obremenitve [kg*m^2] %vztrajnostni moment motorja [kg*m^2] %viskozno trenje [Nms/rad] %prestavno razmerje zobnikov %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

59 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 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 Slika 2.10: kamera Fire-i TM...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

60 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 45 Slika 3.12: bodejev diagram K=1 T n =1s za prvo os...26 Slika 3.13: bodejev diagram K=1 T n =100s za prvo os...27 Slika 3.14: bodejev diagram K=1 T n =1000s za prvo os...27 Slika 3.15: stopnični odziv pri K=354.8 in T n =1s za prvo os...28 Slika 3.16: bodejev diagram K=1 T n =1s za prvo os...29 Slika 3.17: stopnični odziv pri K=177.8 in T n =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 DE 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 Seznam preglednic Tabela 2.1: Podatki PORTESCAP DC motorjev... 4 Tabela 2.2: Del podatkov novega motorja (WEEE DE ) za prvo os Naslov študenta Kristina Trajkovska Vošnjakova 27, 2000 Maribor Tel.študenta: študenta: kiki_ripce@yahoo.com

61 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran Kratek življenjepis Rojena: 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.

62 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 47

63 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 48

64 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 49

65 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 50

66 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 51

67 Izdelava servopogona prve osi mehanizma stereo računalniškega vida Stran 52

68