Lego-robotin liikkeenohjauksen toteuttaminen ja havainnollistaminen säätötekniikan opetuksessa
Rantanen, Miikka (2022)
Kandidaatintyö
2022
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022090257113
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022090257113
Tiivistelmä
Kandidaatintyön tavoitteena oli luoda havainnollistava ja samalla yksinkertainen esimerkki liikkeenohjauksen suunnitteluprosessista käyttämällä Lego EV3 Mindstorms-rakennussarjan avulla rakennettua lego-robottia. Tämän lisäksi työhön kuului kirjallisuuskatsaus, jonka tavoitteena oli kartoittaa opetus- ja tutkimustarkoitukseen rakennettuja lego-robotteja.
Liikkeenohjaukselle valittiin kaksi eri tavoitetta, jonka jälkeen legoista rakennettiin liikkeenohjausta havainnollistava robotti. Robotista luotiin simulaatiomalli ja sen siirtofunktio identifioitiin sovittamalla se Simulink-ohjelmistolla suoritettujen askelvastekokeiden pohjalta piirrettyyn askelvasteen kuvaajaan. Identifioidun 1. kertaluvun siirtofunktion perusteella järjestelmälle suunniteltiin P- ja PI-säätimet Ziegler-Nichols menetelmällä ja tarkasteltiin säätimien soveltuvuuksia molempiin liikkeenohjaustavoitteisiin. Säätöparametrien arvoja hienosäädettiin kokeellisesti ja järjestelmän stabiiliutta tarkasteltiin Bode-diagrammin avulla määrittämällä vaihe- ja vahvistusvarat. Säädetyn järjestelmän toimivuutta testattiin kokeellisesti lego-robotilla ja liikkeenohjaustavoitteet toteutuivat.
Työn tulokset osoittavat, että Lego EV3:lla toteutettua yksinkertaista liikkeenohjausesimerkkiä voitaisiin käyttää tukemaan säätötekniikan perusteiden opetusta. The objective of this bachelor’s thesis was to demonstrate the design process of motion control for a simple Lego robot built by using Lego EV3 Mindstorms building-kit. In addi-tion to this a literature review was made about Lego robots that have been built for both education and research purposes.
Two different targets were chosen for the motion control and then a Lego robot was built to demonstrate the implementation of those motion control targets. A simulation model for the robot was created and its transfer function was identified by fitting it to the system’s step response. By using the identified first order transfer function a P and PI controllers were designed for the system. The controller parameters were chosen via Ziegler-Nichol’s method and their suitability for the different motion control targets was analyzed. System’s stability was examined by using Bode diagram and fine tuning to the control parameters was done. The functionality of the motion control was tested on a Lego robot and the mo-tion targets were achieved.
The results of this thesis show that a simple motion control example can be implemented by using Lego EV3 and this example could be used to support the teaching of basic control engineering.
Liikkeenohjaukselle valittiin kaksi eri tavoitetta, jonka jälkeen legoista rakennettiin liikkeenohjausta havainnollistava robotti. Robotista luotiin simulaatiomalli ja sen siirtofunktio identifioitiin sovittamalla se Simulink-ohjelmistolla suoritettujen askelvastekokeiden pohjalta piirrettyyn askelvasteen kuvaajaan. Identifioidun 1. kertaluvun siirtofunktion perusteella järjestelmälle suunniteltiin P- ja PI-säätimet Ziegler-Nichols menetelmällä ja tarkasteltiin säätimien soveltuvuuksia molempiin liikkeenohjaustavoitteisiin. Säätöparametrien arvoja hienosäädettiin kokeellisesti ja järjestelmän stabiiliutta tarkasteltiin Bode-diagrammin avulla määrittämällä vaihe- ja vahvistusvarat. Säädetyn järjestelmän toimivuutta testattiin kokeellisesti lego-robotilla ja liikkeenohjaustavoitteet toteutuivat.
Työn tulokset osoittavat, että Lego EV3:lla toteutettua yksinkertaista liikkeenohjausesimerkkiä voitaisiin käyttää tukemaan säätötekniikan perusteiden opetusta.
Two different targets were chosen for the motion control and then a Lego robot was built to demonstrate the implementation of those motion control targets. A simulation model for the robot was created and its transfer function was identified by fitting it to the system’s step response. By using the identified first order transfer function a P and PI controllers were designed for the system. The controller parameters were chosen via Ziegler-Nichol’s method and their suitability for the different motion control targets was analyzed. System’s stability was examined by using Bode diagram and fine tuning to the control parameters was done. The functionality of the motion control was tested on a Lego robot and the mo-tion targets were achieved.
The results of this thesis show that a simple motion control example can be implemented by using Lego EV3 and this example could be used to support the teaching of basic control engineering.