Steuerung eines Roboterfahrzeugs

Inhaltsverzeichnis

2 Einleitung

3 Aufgabenstellung

4 Bestandteile des Roboterfahrzeugs

4.1 Robotergestell (Plattform)

4.2 Beschaltung der Bestandteile

4.3 Mikrocontroller

4.3.1 Eigenschaften des PK2100

4.3.2 Technische Daten des PK2100

4.3.3 Einsatz des PK2100

4.4 Optosensoren

4.4.1 Technische Daten des OPB718

4.4.2 Funktionsweise des OPB718

4.4.3 Steuerungskonzept auf Basis der Optosensoren

4.5 Multiplexer

4.5.1 Belegung

4.5.2 Funktionsweise

4.5.3 Beschaltung

4.6 Motorverstärker-Karten

4.6.1 Technische Daten

4.6.2 Verstärkerschaltung

4.6.3 Funktionsweise

4.6.4 Verstärkungseinstellung

4.7 Strom- und Spannungsversorgung

4.8 Getriebemotoren

4.9 LED-Anzeige-Karte

5 Regelung des Roboterfahrzeugs

5.1 Grundlagen der Regelungstechnik [7]

5.2 P-Regler

5.3 I-Regler

5.4 PI-Regler

5.5 PID-Regler

5.6 Berechnung der PID-Regler-Koeffizienten mit Ziegler- Nichols- Methode

6 Digitale Filterung der Messwerte

6.1 Filterung

6.2 Digitale Filter

6.3 Messwerte der Optosensoren

6.4 Filterentwurf

6.4.1 Überblick

6.4.2 Vorüberlegungen

6.4.3 Bestimmung der Grenzfrequenz

6.4.4 Berechnung der Filterkoeffizienten

7 Echtzeitsysteme

7.1 Betriebsystem

7.2 Multitasking

7.3 Task

7.4 Multitasking Betriebssystem

7.4.1 Taskverwaltung

7.4.2 Speicherverwaltung

7.4.3 Kommunikation zwischen Tasks

7.5 Echtzeitsysteme

8 Programmierung

8.1 Programmiersprache „Dynamic C“

8.2 „Dynamic C“- Installation

8.3 Programmierung des Mikrocontrollers PK2100

8.4 C-Programm

8.4.1 Liste der Variablennamen

8.4.2 Struktogramme der Module

8.4.3 Programm

8.4.4 kommentiertes Programm

Zielsetzung & Themen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf und Bau eines Roboterfahrzeugs, das in der Lage ist, einer weißen oder schwarzen Linie auf kontrastierendem Untergrund autonom zu folgen. Die zentrale Forschungsfrage liegt in der Implementierung einer stabilen, in Echtzeit arbeitenden Steuerung unter Verwendung eines Mikrocontrollers, um eine präzise Bahnführung ohne unerwünschte Schwingungen zu gewährleisten.

• Regelung der Antriebsmotoren zur Geschwindigkeits- und Richtungssteuerung.
• Digitale Signalverarbeitung durch Filterung von Sensormessdaten.
• Einsatz eines Multitasking-Betriebssystems zur Echtzeit-Programmsteuerung.
• Entwicklung und Implementierung der Steuerungslogik in der Programmiersprache "Dynamic C".
• Technische Integration von Optosensoren, Multiplexern und Motorverstärkern.

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

2 Einleitung: Beschreibt die theoretische Relevanz und das allgemeine Ziel der mobilen Robotik sowie die Notwendigkeit von Roboterfahrzeugen für autonome Aufgaben.

3 Aufgabenstellung: Definiert das konkrete Projektziel, die Bahnführung eines Roboters zu automatisieren, und listet die benötigten Hardware-Komponenten auf.

4 Bestandteile des Roboterfahrzeugs: Erläutert detailliert den Aufbau, die elektronische Verschaltung sowie die Spezifikationen von Mikrocontroller, Sensoren, Multiplexern und Antriebseinheiten.

5 Regelung des Roboterfahrzeugs: Führt in die Grundlagen der Regelungstechnik ein und beschreibt die Implementierung von P-, PI- und PID-Reglern zur Spurhaltung.

6 Digitale Filterung der Messwerte: Behandelt die Notwendigkeit und den Entwurf digitaler Tiefpassfilter zur Störunterdrückung der Sensordaten.

7 Echtzeitsysteme: Vermittelt die theoretischen Grundlagen des Multitaskings, der Taskverwaltung und der Anforderungen an ein echtzeitfähiges System.

8 Programmierung: Dokumentiert die Entwicklungsumgebung "Dynamic C", das Vorgehen bei der Programmierung und die konkrete Umsetzung der Algorithmen für die Fahrzeugsteuerung.

Schlüsselwörter

Roboterfahrzeug, Mikrocontroller, PK2100, Echtzeitsystem, Regelungstechnik, PID-Regler, Optosensoren, Digitale Filterung, Multitasking, Dynamic C, Spurführung, Signalverarbeitung, Getriebemotoren, Sensorik, Steuerungssoftware.

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?

Die Arbeit dokumentiert das Design, den Aufbau und die softwareseitige Steuerung eines autonomen Roboterfahrzeugs, das einer markierten Linie auf einem Untergrund folgen soll.

Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?

Die Schwerpunkte liegen auf der mechanischen Konstruktion, der elektronischen Sensor- und Verstärkertechnik sowie der Implementierung eines regelungstechnischen Software-Programms in Echtzeit.

Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?

Das Ziel ist die Realisierung einer schnellen, präzisen und schwingungsfreien Bahnsteuerung durch den Einsatz effizienter Regelungsalgorithmen unter Echtzeitbedingungen.

Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?

Es wird ein regelungstechnischer Ansatz (PID-Regelung) verfolgt, dessen Parameter mithilfe der Ziegler-Nichols-Methode experimentell bestimmt und zur Optimierung angepasst wurden.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Der Hauptteil gliedert sich in die detaillierte Hardwarebeschreibung (Mikrocontroller, Optosensoren, Multiplexer), die regelungstechnischen Grundlagen und die methodische Entwicklung der digitalen Filterung sowie die Softwareimplementierung.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Roboterfahrzeug, PK2100, Echtzeitsystem, PID-Regler, Digitale Filterung, Dynamic C, Spurführung.

Wie werden die Signale der zwölf Optosensoren effizient verarbeitet?

Da der Mikrocontroller PK2100 nur über sieben digitale Eingänge verfügt, werden zwei Multiplexer (Typ 74LS153) eingesetzt, um die zwölf Sensorsignale zu verarbeiten und an den Controller weiterzuleiten.

Welche Rolle spielt das Multitasking-Betriebssystem für den Roboter?

Das Betriebssystem ermöglicht die quasi-parallele Ausführung verschiedener Aufgaben (Tasks), wie die Sensorabfrage, die Berechnung der Regelabweichung und die Motoransteuerung, in einem definierten Zeittakt.

Wie wird das Problem der störbehafteten Messwerte der Sensoren gelöst?

Durch den Entwurf eines digitalen rekursiven Filters (Butterworth-Tiefpass) werden hochfrequente Störsignale aus den Messdaten der Optosensoren herausgefiltert.