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Thema: Elektronisches Umkehrdifferential

  1. #1
    Super-Moderator Lebende Robotik Legende Avatar von Manf
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    Elektronisches Umkehrdifferential

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    Elektronisches Umkehrdifferential mit einstellbarem Kurvenradius (null - unendlich)

    An einigen Threads in letzter Zeit glaube ich ein Interesse an der Steuerung von DC Motoren zum synchronen Lauf in gleicher und entgegengesetzter Richtung zu sehen. Das ist ja eine Betriebsart die in der Ansteuerung von Robotern häufig vorkommt und die von Schrittmotoren besonders gut ausgeführt werden kann.

    Mit Encodern kann man die Bewegung von DC Motoren recht genau erfassen und mit PWM kann man die Bewegung auch recht genau nachsteuern.

    Steuert man nun einen Motor an und wünscht sich die genaue Nachführung des anderen Motors in der einen oder anderen Richtung, dann müsste ein 8pin AVR (so in der Gegend von AT90S2343) in der Lage sein, durch Aufnahme der Rad-Encodersignale Aufsummieren und Vergleichen, alle relevanten Daten bereitzustellen und im Idealfall sogar schon gleich das PWM Signal für den zweiten Motor auszugeben.

    Das wäre dann vielleicht soetwas wie ein elektronisches Umkehrdifferential. Mit der selben Schaltung müssten sich auch Fahrten mit einstellbaren Kurvenradien realisieren lassen.

    Elektronisches Multiturn Servopoti
    Eine sinnvolle Untermenge davon wäre schon die Erfassung von 2-phasigen Encodersignalen, mit Endschalter zur Positionskontrolle, und der Ausgabe als PWM Wert (elektronisches multiturn Servopoti) was ja auch nicht immer ganz einfach ist.

    Bei der Motorsteuerung bei der die Richtung des Leitmotors vorgegeben wird, würde ja vielleicht ein einphasiges Encodersignal ausreichen.

    Ich wollte das Thema mal als Vorschlag zur Definition eines Bausteins zur Diskussion stellen. Sicher wird es auch mit SW gehen, aber man wird auch froh sein, wenn der Hauptcontroller gar nicht erst mit der Aufgabe belastet wird.

    Manfred

  2. #2
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    Wenn man es modular bauen wollte, sollte man das teilen: Das Radencodern mit einem Funktionsumfang ähnlich der Maus (Delta-Buffer)
    und ein "Differential" mit Speed /Diff-..
    mfg robert
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  3. #3
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    Eine sehr gute Idee, dieser Baustein.

    Man wird allerdings ausprobieren müssen (und zwar im einzelnen Anwendungsfall mit den entsprechenden Motoren, der Untersetzung und der bewegten Masse), ob die Regelung der Motoren gut genug ist, daß man von einem geraden Lauf ohne seitlichen Versatz sprechen kann.

    Jede Regelabweichung erzeugt nämlich einen unwiederbringlichen Versatz in der Laufrichtung oder mindestens einen Parallelversatz aus der ursprünglich gefahrenen Linie.

    Etwas ausführlichere Erklärung:
    Wenn nach erkannter Regelabweichung beide Motoren wieder auf die gewünschte GESCHWINDIGKEIT angeglichen werden, ist trotzdem schon die alte Fahrtrichtung futsch.
    Wenn man versucht, während eines geraden Laufs die absolut gefahrene STRECKE beider Motoren gleichzuhalten, bleibt die Fahrtrichtung im großen und ganzen erhalten, aber durch die "Schlenkerer" wird die Fahrspur vielleicht parallel versetzt.

    Aus dem Grund hatte ich für diese Aufgabe einen potenten 16bit-Controller mit zwei Hardwaremäßigen Encodereingängen vorgesehen. Und hatte vor, über ständige Überwachung der beiden von den Motoren gefahrenen Wegstrecken wirklich eine zweidimensionale Position ab der Ausgangsstelle zu tracken. Das bedeutet wahrscheinlich eine Menge Fließkomma-Rechnerei, deshalb der dicke Microcontroller.

    Wohlgemerkt: Ich bin selbst noch Lichtjahre von der Realisierung dieses Konzepts entfernt bin und breite hier nur großkotzig meine Ideen aus. Nur der Controller wartet schon in der Schublade.

    Also nochmal: Wäre schon eine gute Idee, und wenns genau genug funktioniert, ists eine Alternaive zu Schrittmotoren. Ich kanns nicht richtig einschätzen. Vielleicht wird man trotz allem Aufwand nicht besser, als wenn man einfach mit zuvor ausprobierten Werten die PWM der beiden Motoren auf Geradeauslauf justiert.

    Manfred, bin ja auch in München. Vielleicht hilft es etwas, wenn ich eine Plattform aus Motoren, Lichtschranken, Motortreibern und Akku zur Verfügung stelle. Und die Versuchsstrecke. Die Plattform ist allerdings etwas größer und damit unrepräsentativ. Vielleicht sollte ich noch eine typische RB35-Konfiguration zusammenstricken.

  4. #4
    Super-Moderator Lebende Robotik Legende Avatar von Manf
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    Etwas ausführlichere Erklärung:
    Wenn nach erkannter Regelabweichung beide Motoren wieder auf die gewünschte GESCHWINDIGKEIT angeglichen werden, ist trotzdem schon die alte Fahrtrichtung futsch.
    Wenn man versucht, während eines geraden Laufs die absolut gefahrene STRECKE beider Motoren gleichzuhalten, bleibt die Fahrtrichtung im großen und ganzen erhalten, aber durch die "Schlenkerer" wird die Fahrspur vielleicht parallel versetzt.
    Das ist schon mal eine sehr gute Antwort zum weiter diskutieren.
    Du unterscheidest zwischen dem Ereichen der gleichen Geschwindigkeit und dem Erreichen des gleichen Drehwinkels.

    So genau hatte ich es gar nicht beschrieben. Der Algorithmus im Controller, der die Encodersignale aufnimmt und in PWM umsetzt ist noch offen und er wird später einige Optimierungen brauchen.

    Ich stelle mir vor, dass eine Version auch nach Regelparametern und Zeitkonstanten angepasst werden muß. Es ist auch möglich noch einmal zu integrieren und nicht nur den Drehwinkel auszugleichen sondern das Integral des Drehwinkels über der Zeit, um in Richtung einer Spurkorretur zu gehen. Vielliecht ist es aber auch gar nicht so kompliziert.

    Mit welcher Frequenz sollte man die Fortbewegung überwachen? Welche Wegauflösung? Gibt es eine Schätzung dafür?
    Manfred

  5. #5
    Gast
    Hallo Manfred,

    da hast du dir was Schönes vorgenommen, insbesondere wenn du auch die Zeitkonstanten durch Trägheitsmomente berücksichtigen willst. Aber gerade durch eine Art Positionsregelung sehe ich den Vorteil solch einer Lösung. Weil aus meiner Erfahrung der Nachlauf wegen dem Aufwand meistens unberücksichtigt bleibt und sich dadurch der Fehler im Laufe der Zeit so vergrössert, dass eine Navigation nicht mehr möglich ist. Aber wenn man sich selber nicht mehr um diese Problematik kümmern muss, weil so ein Chip die Sache übernimmt, dann finde ich das ein paar Euro wert.

    Die Auflösung sollte meiner Meinung nach bei Drehungen oder Kurven so 1 - 2 Grad sein. Daraus ergibt sich dann über Grösse der Räder und Abstand der Räder die Auflösung des Drehwinkels. Eine grössere Auflösung ist meiner Meinung nach nicht sinnvoll, da durch Schlupf und Spiel im Getriebe das nicht mehr nutzbar ist.

    Ich stelle mir das so vor, dass der Chip das komplette Motorenmanagement beider Motoren übernimmt und nicht nur den 2. Motor regelt. Aber vielleicht war das auch schon deine Vorstellung und ich habe es nur falsch aufgefasst. Dem Chip werden dann die Befehle zur Steuerung in etwa sinngemäss so übergeben:
    fahre 120mm geradeaus
    fahre geradeaus
    gib gefahrene Wegstrecke zurück
    fahre Linksbogen mit 90 Grad
    drehe 180 Grad rechts
    usw.

    Gruss Waste

  6. #6
    Super-Moderator Robotik Visionär Avatar von PicNick
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    Ich würde warnen, zu früh in eine Detailkonzeption zu gehen, sondern erst noch die Positionierung in möglichen Gesamtsystemen zu analysieren. Das impliziert, sich zu überlegen, welche Aufgabenstellungen da eigentlich denkbar oder sinnvoll sind.
    Der Auftrag, sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit geradeaus oder um einen bestimmten Radius zu bewegen, scheint einerseits unstrittig.
    Aber meistens will das Fahrzeug zuerstmal ja von A nach B und nicht in einem bestimmten Bogen fahren, wenn der Unterschied verständlich ist.
    Wie verläuft die Sache, wenn unterwegs von anderen Sensoren drohende Kollisionen gemeldet werden ? Wie kann eine solche Wechselwirkung ablaufen ?
    mfg robert
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  7. #7
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    Wenn man den Gedanken freien Raum läßt, dann kommt man sicher auch bald zu einer integrierten Motorsteuerung für Motoren aller Größen, die komplexe Wege verfolgt und den Hauptcontroller beauftragt darüber nachzudenken, was das ganze für einen Zweck haben könnte. [-(

    Wo waren wir stehengeblieben?
    Die Wegauflösung: über Winkel, dazu werden wir ein mittleres Beispiel suchen.

    Die Steuerungskommandos:
    1. Geradeausfahrt
    2. Richtungsänderung auf der Stelle
    3. Kurskorrektur nach Ausweichmanövern? das erscheint zu komplex.

    Die Motivation darüber nachzudenken ist:
    Es gibt Gründe, Schrittmotoren einzusetzen. Diese Motoren bewegen sich mit hohem Strom und hoher Sicherheit, keine Schritte zu verlieren. Ein DC Motor bewegt sich mit dem Strom, der zur Bewegung benötigt wird. Der Unterschied könnte durch eine Steuerung ausgeglichen werden, um die Vorteile beider Systeme zu nutzen.
    Manfred

  8. #8
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    Das wird eine gute Diskussion.

    Vorschlag für die Steuerungskommandos von meiner Seite:
    1. Geradeausfahrt mit unbestimmter Wegstrecke
    2. Stop (muß schnell reagieren)
    3. Auslesen der gefahrenen Strecke
    4. Drehen auf der Stelle um einen bestimmten Winkel
    5. Geradeausfahrt einer bestimmten Strecke, trotzdem durch Stop unterbrechbar!
    Optional noch:
    6. Fahren bestimmter Bögen, ebenfalls durch Stop unterbrechbar
    7. Aneinanderhängen von einigen Kommandos zum Fahren bestimmter Wegstrecken und Bögen, ohne daß der Roboter dazwischen stoppt.

    Die Reaktion auf Hindernisse kann man nicht ganz wegdenken. Deshalb das Stoppen auf externes Kommando. Im Zusammenspiel mit einem trägen Windows-Rechner wäre mir ein direktes Reagieren des Microcontrollers auf Sensorsignale fast lieber. Aber ein elegantes Ausweichen wäre übertrieben. Mir genügt Stehenbleiben und dem Hauptrechner Zeit zum Denken geben.

    Abschätzung zum Takt von Algorithmus und Lichtschranken:
    Aufgrund der Trägheit selbst kleinster Motoren muss der Algorithmus nicht öfter als 10mal pro Sekunde laufen. Oder? So richtig kenne ich mich da nicht aus. Und zwischen den Durchläufen muss eine vernünftige Anzahl von Lichtschrankenimpulsen zusammenkommen, es genügt wohl ein Byte voll. Das ergibt bei einer gegebenen Endgeschwindigkeit des Roboters die Auflösung.

    Werde als Beispiel mal die Auflösung meines Roboters berechnen, die sich einfach aus den mechanischen Möglichkeiten ergab.

    Tom.

  9. #9
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    Bei den unterbrechenden Kollisionswarnungen meinte ich folgendes Szenario:
    Auf Basis der "bin auf A, will nach B" Gegebenheit
    erfolgt (z.B) der Auftrag Bogen mit radius etc.
    Kommt bei der Ausführung mittendrin eine Stop-Situation, ist die Frage : Wo bin ich denn JETZT ?
    Also müßte permanent die Position X,Y, Richtungsvect. erarbeitet werden.
    Der inzwischen zurückgelegte Weg im Bogen würde da garnicht sosehr helfen.

    Eigentlich bräucht' man ein System (dessen Komponenten noch zu verteilen wären), das die Werte
    A (X, Y, vec) ==> B (X, Y, vec) als Bezier-Kurve interpretiert, also ggf. eine S-Kurve hinlegt, aber jeden Punkt davon als Px( x,y, vec ) darstellen kann, damit dann ggf. ein neuer Auftrag zustandekommt.

    Ziemliche Viecherei, das Ganze.
    mfg robert
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  10. #10
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    PicNick, Du beschreibst genau die Endlösung, die ich in letzter Konsequenz auch haben möchte. Deshalb hab' ich mir schon mal einen mächtigen fleißkommafähigen schnellen 16bit-Controller besorgt.

    Aber bis dahin ist die 2Motorsteuerung für Geraden und Kurven - in einen AVR verpackt - ein guter Zwischenschritt, den vielleicht viele gebrauchen können.

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