Lego - robotti säätötekniikan opetuksen demonstraatiovälineenä

Abstract

Säätötekniikan teorianopetusta tukemassa on hyödyllistä käyttää rinnalla havainnollistavia ja konkreettisia esimerkkejä. Tässä työssä tarkastellaan säätötekniikan opetukseen sopivaa, luonnostaan epästabiilia kaksipyöräistä Lego Mindstorms EV3 – robottia ja työn tavoitteena on kehittää balansoiva säätö Lego - robotin rungon sivuttaissuuntaiselle kallistuskulmalle estäen robotin kaatumisen. Robotin dynamiikka mallinnetaan tilayhtälöiden avulla, jotka si-sältää systeemi -, tulo –, lähtö – ja myötäkytkennän matriisit. Työn tuloksena on Matlab – koodi, joka sisältää Lego – robotin mallinnuksen sekä työssä analysoidaan järjestelmää tun-netuilla menetelmillä; avoimen – ja suljetun – sekä säädetyn piirin askelvasteilla ja napa – nollakohtadiagrammin avulla. Työssä havainnollistetaan Simulink - simulointimalli, joka koostuu mm. edellä mainituista Matlabin matriiseja hyödyntävästä tilayhtälöt – lohkosta, PID - säätimestä ja takaisinkytkennästä. Työn tarkastelu rajataan robotin stabiloivaan sää-töön ja kaksi muuta liikeakselia, joilla käännetään robottia ja liikutetaan sitä eteen – tai taak-sepäin, jätetään tarkastelun ulkopuolelle.

It is useful to use illustrative and concrete examples alongside supporting theoretical teach-ing in control technology. This thesis covers the unstable two-wheeled Lego Mindstorms EV3 robot, which is suitable for the teaching of control technology, and aims to develop balancing closed loop control law for the lateral tilt angle of the Lego robot body, preventing the robot from falling. Robot dynamics are modelled by state space equations that include system, input, output, and positive feedback matrices. The result of the thesis is the Matlab code, which includes the modelling of the Lego robot, and this thesis also analyzes the sys-tem with known methods; open - and closed - as well as closed loop step responses and pole - zero diagram. The thesis illustrates the Simulink simulation model, which consists of e.g. the above-mentioned Matlab matrix-based state space equations - block, PID controller and feedback. Scope of this thesis is limited to stabilizing the robot. Two other motion axes – one that rotates the robot and another that drives it forward or backward - are excluded.