Ontwerp en Implementatie van een ABS op een LEGO-wagentje

Transcriptie

1 Ontwerp en Implementatie van een ABS op een LEGO-wagentje Tussentijdse Presentatie Stijn De Smedt, Thomas Dekeukelaere, Pieter Roels & Kenny Van Heuverswijn VOP 1 e proef Werktuigkunde-Elektrotechniek

2 Inleiding Verliezen grip op de weg tijdens noodrem Onbestuurbaarheid van auto noodzaak aan een systeem dat de grip op de weg maximaliseert tijdens een noodstop: ABS (Antilock Braking System)

3 1. Van fysisch model tot blokdiagram 2. Controller 3. Implementatie 4. Feedback 5. Tijdsmanagement

4 INPUT CONTROLLER ACTUATOR PROCESS OUTPUT SENSOR

5 1. Van fysisch model tot blokdiagram Één wiel remmodel - we beschouwen ¼ van een wagen - geen vering - constante normaalkracht door het gewicht

6 v KRACHTENEVENWICHT: - momentenevenwicht: - verticaal evenwicht: - horizontaal evenwicht: J ω = R X T b Z = m g mv = X noem: X = F Z = F z x NOG TRAAGHEIDSKRACHTEN

7 Definitie wielslip: λ = ω v R v Met: Rollen zonder glijden - λ = 1: Lock-up (wiel draait niet meer: kritieke toestand!) - λ = 0: vrije beweging/rollen zonder glijden (geen aandrijving) en: F = F µ λ, µ, α [Pacejka, 1989] ( ) x z H - α: hoek van het wiel - µ H : wrijvingscoëfficiënt tussen wiel en weg - λ: de wielslip in principe statische wrijvingswet

8 Verband slip en wrijvingscoëfficiënt tussen wiel en weg gewenste slipwaarde kritiek punt: Wheel Lockup uiteindelijk zeer ingewikkelde en zeer variabele curve!

9 groot probleem voor de modelvorming noodzaak robuste controller!?

10 Fysisch model omzetten in blokdiagram Vereenvoudiging: we rijden rechtdoor α = 0 Eerst vergelijkingen omvormen 2 R R Fz b λ v= T µ J J 2 R R Fz α, β J J stel: Tb ( t) = ut ( T ) (wegens tijdsvertraging) λ( t) v= β µ λ( t) + α u( t T)

11 Curve wrijving-slip Remkoppel Na linearisatie rond een punt: v= β mλ+ ψ + αu t T λ [ ] ( ) i 1 Benaderen van de slipcurve door een rechte (m i is de richtingscoëfficiënt)

12 Transferfunctie st λ α e = u sv +β m Er is één pool: Regelkring i βm V i ( ψ= 0) dynamica motoren komt hier nog tussen remkoppel referentieslip feedback van de slip (dynamica meetsensoren verwaarloosd)

13 Regelstrategie Doel: slip op een constante waarde houden groot genoeg, om zo snel mogelijk stil te staan voldoende klein: - wheel lock-up ten allen tijde te vermijden - scheeftrekken van de wagen te vermijden Probleem! 2 waarden teruggekoppeld (slip rechts en slip links) en slechts één variabele controlleerbaar (stroom naar de motor) bepaalde keuzes moeten gemaakt worden! wij kiezen hoogste slipwaarde als ingang van de controller hoogste gevaar voor instabiliteit of wheel lock up. andere (kleinste) slipwaarde zal waarschijnlijk steeds binnen het stabiele gebied blijven

14 2. Controller Specs - kleine settling time (< 100ms?) - kleine e ss -fout, indien mogelijk zelfs nul - weinig overshoot, gevaar voor instabiliteit - robuust: bruikbaar voor verschillende slip wrijvingcurves Gekozen controller groot aantal onzekerheden simpele/robuste controller PI(D) en implementeren met snelheidsalgoritme (MOREDYS) U ( s) 1 = Kp 1+ + Ts d E( s) Ts i P: verminderen e ss I: wegwerken e ss D: stabiliserende werking, wel ruisgevoelig

15 3. Implementatie - op LEGO-wagentje (Dirt Crusher) - achterwielaandrijving - twee elektrische motoren op elk wiel in parallel gevoed - meting op voorwielen en achterwielen (minstens 3)

16 D200 Motor Driver Handy Board Motoren Encoders

17 Handy Board programma schrijven op pc (in Interactive C) downloaden naar Handy Board verzamelt output encoders resultaat doorsturen naar D200

18 3 2 1

19 D200: motor driver board: krijgt stuursignalen van Handy board geeft stroom aan de motor(en) wordt gevoed door batterij van wagen koelvinnen

20 3 1 2

21 Motoren samen gevoed door motor driver board zelfde spanning over de motoren wielen niet op dezelfde as zorgen zowel voor aandrijving als voor remmen

22 Verbindingen ruis minimaliseren - motorcondensators - voedingsdraden rond elkaar wikkelen

23 4. Feedback Meten is weten: de encoder in het algemeen - robuustheid vereist een goede meetapparatuur! - doel: de rotatiesnelheid van voor-en achterwielen meten slip bepalen - werking: genereert blokgolf (op mechanische of optische wijze) - basisgegevens: * incrementeel: bepalen verdraaiing van as ( absoluut) door tellen transities in blokgolf * kwadratuur: 2 blokgolven genereren rotatiezin bepalen door onthouden huidige en vorige stap

24 Technische gegevens onze encoder: - type: PEC-16, incrementeel, kwadratuur - 1 ma bij 5V DC - time-delay: 5ms - 24 pulsen per omwenteling f = 360 pulsen/s Keuze encoder: - goedkoop - compact - vast # pulsen per omwenteling hogere meetfrequentie bij hogere snelheid voordeel want golflengte korter bij hogere snelheid Handy board en de encoder - voorgeprogrammeerde routines aan iedere analoge ingang (IC) - leesfrequentie: 1000Hz (high speed) / 250Hz (low speed) -

25 Samplen - minstens op iedere overgang 1x meten anders transities in blokgolf missen en dus foute meting - uit berekende snelheid (16 Hz) snelheidsverloop reconstrueren Problemen - encoder nog niet ter beschikking (monteren en testen), maar besteld - hoe zijn we zeker dat op elke transitie gemeten wordt (vooral bij hoge snelheden)?

26 5. Tijdsmanagement - 24/03: bouw wagentje moet af - 31/04: basistesten (werkt alles naar behoren?) + praktische studie/monitoren van het probleem - 3/04-17/04: ontwerp controller en algoritme + 1 e testfase - 21/04-28/04: verbeteringen aanbrengen + testen - 5/05: presentatie opstellen en bundel samenstellen - 12/05: buffer - 19/05: presentatie

27 Vragen?