Badania symulacyjne odtwarzania sygnału w bezprzewodowym układzie sterowania napędem elektrohydraulicznym z dżojstikiem haptic Paweł Bachman *, Marcin Chciuk *, Andrzej Milecki ** * Wydział Mechaniczny, Uniwersytet Zielonogórski, ** Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania, Politechnika Poznańska Streszczenie: W artykule opisano system sterowania serwonapędem elektrohydraulicznym przez operatora, za pośrednictwem dżojstika z siłowym sprzężeniem zwrotnym. Ze względu na zamiar zastosowania łączności bezprzewodowej utworzono w środowisku MATLAB/Simulink model symulacyjny całego systemu. Przeprowadzono badania symulacyjne zachowania się układu w przypadku chwilowej utraty łączności. Zaproponowano i zamodelowano algorytm estymacji transmitowanej informacji na podstawie różniczkowania sygnału sterowania. Badania symulacyjne pokazały, że zaproponowany algorytm jest skuteczny dla badanych przypadków przebiegu sygnału i zabezpiecza napęd przed skokowymi zmianami sygnału sterującego w czasie zaniku. Słowa kluczowe: serwonapęd, sterowanie bezprzewodowe, estymacja sygnału. Wprowadzenie W układach sterowania można wyróżnić dwa sposoby przekazywania sygnałów. Pierwszym z nich jest przesyłanie przewodowe, do którego można zaliczyć bezpośrednie połączenia przewodowe oraz połączenia za pośrednictwem urządzeń sieciowych (np. w sieci lokalnej lub internet) wykorzystujących specjalne protokoły przesyłania danych. Zapewniają one duże bezpieczeństwo danych i dużą przepustowość (np. sieci światłowodowe) oraz odporność na zakłócenia. Ich wadą jest konieczność układania dużej liczby przewodów i mała elastyczność podczas rekonfiguracji układów. Druga metoda komunikacji to przesyłanie bezprzewodowe za pomocą fal radiowych (mikrofal o częstotliwości GHz). Można tutaj wyróżnić różne systemy np. sieć bezprzewodowa Wi-Fi, sieć GSM a także powstała w ostatnich dziesięciu latach sieć. Systemy bezprzewodowe charakteryzują się dużą elastycznością lecz nie są odporne na zakłócenia. W artykule zaproponowano algorytm, który zmniejsza skutki zaniku sygnału podczas, aproksymując utracone dane.. Koncepcja sterowania bezprzewodowego W ITM PP od kilku lat prowadzone są badania serwonapędów elektrohydraulicznych sterowanych za pośrednictwem dżojstików typu haptic [3 7]. W następnym kroku zaplanowano zastosowanie łączności bezprzewodowej, wykorzystując y firmy [] (rys. ) do połączenia dżojstika z serwonapędem elektrohydraulicznym. Omawiany Rys.. Widok ów firmy [] Fig.. View of firms modules [] zestaw składa się z dwóch ów mikrokontrolerowych zawierających układ komunikacji,4 GHz z procesorem picopower oraz wyświetlaczem LCD oraz jeden USB pełniący rolę serwera, który pozwala na podłączenie zestawu do komputera. Zestaw pracuje wykorzystując protokoły IEEE 8.5.4, 6LoWPAN i. Zawiera on również pakiet oprogramowania PC do konfiguracji sieci bezprzewodowej, kontroli, analizy i programowania ów przez sieć (over-the-air). Schemat sterowania serwonapędem elektrohydraulicznym z zastosowaniem interfejsu dotykowego pracujących w sieci widoczny jest na rys.. Sterowanie zaworu Stopień mocy Prąd Dżojstik Wireless Kamera Wi-Fi STANOWISKO STEROWANIA USB STANOWISKO MONITORINGU Rys.. Schemat sterowania serwonapędem elektrohydraulicznym z zastosowaniem interfejsu dotykowego w sieci Fig.. Control scheme of electro-hydraulic servo-drive using the haptic interface on a network 54 Pomiary Automatyka Robotyka /
Schemat symulacyjny sterowania serwonapędem elektrohydraulicznym z zastosowaniem interfejsu dotykowego pokazano na rys. 3. W jego skład wchodzą modele serwonapędu elektrohydraulicznego i dżojstika dotykowego, opisane bliżej w publikacji []. Kolejnymi elementami sytemu są bloki: operatora, w którym generowany jest sygnał sterujący położeniem dżojstika oraz blok obciążenia, symulujący siłę obciążającą siłownik. W bloku bezprzewodowej (rys. 4) modelowana jest chwilowa przerwa w i zanik sygnału położenia dżojstika (sterującego modelem serwonapędu elektrohydraulicznego) oraz siły (sterującego dane. Równocześnie też sprawdzana jest wartość siły. Jeżeli nie przekroczy ona zadanej wartości, na wyjściu regulatora pojawia się suma W+R. Natomiast po jej przekroczeniu (oznacza to, że siłownik napotkał na przeszkodę), na wyjście regulatora podawany jest sygnał równy ostatniej zapamiętanej wartości W (siłownik jest zatrzymany). Algorytm działania regulatora pokazany jest na rys. 6. Regulator składa się z dwóch podstawowych bloków. Pierwszy z nich pokazano na rys. 5. Badana w nim jest wartość bezwzględna różnicy sygnału odbieranego w dwóch kolejnych krokach. Jeżeli przekroczy ona zadany próg, to oznacza, wany że jest podczas sygnał zaniku sterujący położeniem nastąpił dżojstika gwałtowny oraz skok tego blok sygnału obciążenia, i na symulujący wyjściu układu siłę obciążającą generowany siłownik. jest lo- W bloku bezprzewodowej (rys. 4) modelowa- DZOJSTIKA S I L O W N I K A polo_d_z_o_j hamulcem magnetoreologicznym dżojstika). Elementami, w Schemat których symulacyjny odzyskiwane sterowania są utracone serwonapędem sygnały, elek- Switch sila_d_z_o_j To Workspace5 Wejście Counter Abs są sterowniki trohydraulicznym hamulca magnetoreologicznego z zastosowaniem interfejsu oraz dotykowego Cnt >. Count siłownika. Podczas procesu sterowania w sterownikach tych le serwonapędu 3. Simulation control bieżąco zapamiętywana elektrohydraulicznego scheme of electro-hydraulic Inc Rys. 3. pokazano Schemat symulacyjny na rys. 3. W sterowania jego skład serwonapędem wchodzą mode- elektrohydraulicznym z zastosowaniem interfejsu dotykowego Up Fig. Hit Rst jest ostatnia i dżojstika servo-drive doty- using the haptic interface In Sprawdzenie Brak wartość sygnału W oraz obliczana jest różniczka In3 Jest dwóch Schemat ostatnich symulacyjny wartości sygnału sterowania R. Jednocześnie serwonapędem elektrohydraulicznym jest transmisja. z zastosowaniem W przypadku interfejsu jej zani- Rys. dotyko- >= >= Zapamiętanie Wejście Sprawdzenie Nie sprawdzana W = W 5. Układ wykrywania wartości zaniku (W) F = Fp Switch Switch ku wego układ pokazano przełącza na się rys. w tryb 3. W pracy jego skład odzyskujący wchodzą Fig. modele serwonapędu elektrohydraulicznego i dżojstika doty- Fig. 5. Transmission fading detection 5. Transmission Rys. 5. fading Układ wykrywania detection system zaniku system wany jest sygnał sterujący położeniem dżojstika oraz Gain To Workspace blok obciążenia, symulujący siłę obciążającą siłownik. 8 polo_d_z_o_jnap W bloku bezprzewodowej (rys. 4) modelowa- Gain3 To Workspace6 SILOWNIKA 8 polo_d_z_o_j 8 polo_s_i_l_o Gain To Workspace Gain To Workspace 8 D Z O J S T I K NAPIECIE In Out O P E R A T O R S T TRANSMISJA E R O W N I K BEZPRZEWODOWA D Z O J S T I K A D Z O J S T I K D Z O J S T I K A S I L O W N I K A Out >= >= Out Switch Switch3 Switch Switch >= >= 3 Switch Rys. 4. Switch3 Schemat symulacyjny radiowej Fig. 4. Simulation scheme >= of radio transmission >= 3 Switch Abs Count Rys. 4. Schemat Rys. symulacyjny 4. Schemat symulacyjny radiowej radiowej Hit Rst Fig. 4. Simulation In Fig. 4. Simulation scheme of radio scheme transmission of radio transmission Switch Fig. 5. Transmission fading Counter detection system Cnt Inc >. In Out O P E R A T O R TRANSMISJA BEZPRZEWODOWA DZOJSTIKA Abs In Jest Wejście Zapamiętanie Wyjście wartości (W) Rys. Sprawdzenie 6. Algorytm Brak działania regulatora Fig. Zapamiętanie 6. The algorithm of the W = controller W + R różniczki (R) Jest Zapamiętanie S E R W O N A P E N D C Z U J N I K S E I L E Y C T R O H Y O D B R C A I U A Z L E I C N Z I E N Y S E R W O N A P E N D E L E C T R O H Y D R A U L I C Z N Y Zapamiętanie Sprawdzenie różniczki (R) Brak 8 Gain3 SILOWNIKA Sprawdzenie na jest chwilowa przerwa w W i = zanik W sygnału wartości (W) F = Fp Wyjście położenia dżojstika (sterującego modelem serwonapędu elektrohydraulicznego) oraz siły (sterującego hamul- Zapamiętanie cem Rys. 6. W = W + R różniczki magnetoreologicznym Algorytm działania regulatora (R) dżojstika). Elementami w Fig. 6. The których algorithm odzyskiwane of the controller są utracone sygnały są sterowniki hamulca magnetoreologicznego Wyjście na jest chwilowa oraz siłownika. przerwa Podczas w procesu i zanik sterowania sygnału położenia w dżojstika sterownikach (sterującego tych na modelem bieżąco zapamiętywana jest regulatora ostatnia wartość sygnału W oraz serwonapędu Algorytm elektrohydraulicznego) działania Rys. 6. oraz siły (sterującego hamulcem The algorithm obliczana Fig. 6. magnetoreologicznym of the controller jest różniczka dwóch ostatnich dżojstika). Elementami w wartości sygnału R. Jednocześnie sprawdzana jest transmisja. W przypadku jej zaniku których odzyskiwane są utracone sygnały są sterowniki hamulca magnetoreologicznego / układ przełącza Pomiary się Automatyka w tryb pracy odzyskujący Robotyka oraz siłownika. Podczas procesu sterowania dane. Równocześnie też sprawdzana jest w sterownikach tych na bieżąco zapamięty- wartość siły. Jeżeli nie przekroczy ona zada- 8 Gain Sprawdzenie F = Fp Nie polo_d_z_o_jnap To Workspace6 polo_s_i_l_o czas To Workspace To Workspace4 sila_d_z_o_j czas To Workspace5 To Workspace4 Rys. 3. Schemat symulacyjny sterowania serwonapędem elektrohydraulicznym z zastosowaniem interfejsu dotykowego Rys. 3. Schemat symulacyjny sterowania serwonapędem C elektrohydraulicznym Z U J N I K S I L Y O z B C zastosowaniem I A Z E N I E interfejsu dotykowego Fig. 3. Simulation control scheme of electro-hydraulic NAPIECIE servo-drive using the haptic interface sila_s_i_l_o Fig. 3. Simulation control scheme of electro-hydraulic servo-drive using the haptic interface In3 Cnt Counter Up Inc Rys. 5. Układ wykrywania zaniku >. In W = W + R Nie sila_s_i_l_o To Workspace3 To Workspace3 W = W 55
cza tryb pracy regulatora. W przeciwnym wypadku (obecność ) generowany jest stan niski. Drugi blok regulatora pokazano na rys. 7. Zawiera on pętle z nauka komórkami pamięci i odpowiada za zapamiętywanie wartości W oraz obliczanie i zapamiętywanie różniczki Memory Switch4 >= Switch3 >= In Memory Switch >= In3 3 Switch >= 3 Switch5 >=. Rys. 9. Sygnały w układzie z zanikiem od do,4 s Fig. 9. The signals in the system with fading transmission from to,4 s Rys. 7. 7. Układ zapamiętywania wartości W W oraz oraz obliczania obliczania zapamięty- i zapamiętywania różniczki sygnału różniczki R sygnału R Fig. 7. 7. Circuit for recording the the W W value value and and calculating and and recording of recording the differential of the value differential of R value of R giczny sygnał wysoki, który przełącza tryb pracy regulatora. W przeciwnym wypadku (obecność ) generowany dżojstika d [ ] jest stan niski. Drugi blok regulatora pokazano na rys. 7. 8 siłownika ys [mm] Zawiera on pętle z komórkami pamięci i odpowiada za zapamiętywanie 6 wartości W oraz obliczanie i zapamiętywanie różniczki sygnału R. Na rys. 5 układ ten został umieszczony 4 w bloku. 4. Wyniki pomiarów Podczas badań symulacyjnych pod uwagę były brane cztery sygnały: 5 położenia kątowego dżojstika, położenia dżojstika siłownika, Fd [N] siły generowanej przez siłownik oraz siły oporu siłownika na dżojstiku. Fs [kn] 4 Przebiegi tych sygnałów w układzie bez zaniku pokazane 3 są na rys. 8. 8 3 4 5 6 7 8 dżojstika d [ ] siłownika ys [mm] 6 3 4 5 6 7 8 4 Rys. 8. Sygnały w układzie bez zaniku Fig. 8. The signals in the system without transmission lose 3 4 5 6 7 8 siłownika, siły generowanej przez siłownik oraz siły oporu na dżojstiku. Przebiegi tych sygnałów w układzie bez zaniku pokazane są na rys. 8. W kolejnych badaniach t zmieniono [s] układ symulacyjny Rys. 9. Sygnały radiowej w układzie tak, z zanikiem żeby zbadać jak od na do zachowanie,4 s Fig. 9. The signals in the system with fading transmission from to,4 s W kolejnych badaniach zmieniono układ symulacyjny radiowej tak, żeby zbadać jak na zachowanie się systemu wpłyną zaniki sygnału t w [s] różnych przedziałach czasowych. Rys. 9. Przykładowe Sygnały w układzie przebiegi z zanikiem z zanikiem od do,4 od s do Fig.,4 9. s pokazano The signals na in the rys. system 9. with fading transmission from Na rys. to,4 przedstawiono s natomiast przebiegi odtworzone w układzie regulacji. Dzięki temu, że przerwa w nastąpiła w liniowo narastającej części przebiegu, to został on całkowicie zrekonstruowany i przebieg niczym nie różni się od wzorca z rys. 8. Rys.. Odtworzone sygnały w układzie z zanikiem od do,4 s Fig.. The reconstructed signals in the system with fading transmission from to,4 s 5 4 dżojstika Fd [N] siłownika Fs [kn] 3 56 3 4 5 6 7 8 Rys. 8. Sygnały w układzie bez zaniku Fig. Rys. 8. 8. The Sygnały signals w in układzie the system bez without zaniku transmission lose Fig. 8. The signals in the system without transmission lose Pomiary Automatyka Robotyka / Rys.. Odtworzone sygnały w układzie z zanikiem od do,4 s Fig.. The reconstructed signals in the system with fading transmission Odtworzone from to sygnały,4 s w układzie z zanikiem Rys.. od do,4 s Fig.. The reconstructed signals in the system with fading transmission from to,4 s
le różni się od niezakłóconego. Rys.. Sygnały w układzie z zanikiem od,8 do 3, s Fig.. The signals in the system with fading transmission from,8 to 3, s Rys. 3. Sygnały w układzie bez zaniku Fig. 3. The signals in the system without fading transmission Rys.. Fig.. Odtworzone sygnały w układzie z zanikiem od,8 do 3, s The reconstructed signals in the system with fading transmission from,8 to 3, s Rys. 4. Sygnały w układzie z zanikiem od 6, do 6,5 s Fig. 4. The signals in the system with fading transmis-sion from 6, to 6,5 s Następnie sprawdzono zachowanie się układu gdy transmisja zaniknie na załamaniu się krzywej (od,8 do 3, s). Przebiegi sygnałów dla tego przypadku pokazane są na rys. i. W tym przypadku sygnał zrekonstruowany tylko niewiele różni się od niezakłóconego. Kolejnym etapem badań algorytmu odzyskującego dane było sprawdzenie, jak zachowa się on podczas zaniku przy bardziej odkształconym sygnale sterującym (rys. 3). Na rys. 4 widoczne są sygnały zarejestrowane w układzie podczas zaniku w czasie od 6, do 6,5 s. Na rys. 5 pokazane są te same sygnały po ich odzyskaniu przez algorytm. W tym przypadku widać już nieco większą różnicę w kształcie przebiegów. Mimo to sygnał zrekonstruowany dość dobrze odpowiada niezakłóconemu. Dzięki temu przebieg zmian położenia tłoka siłownika jest bardzo zbliżony do przebiegu uzyskanego, gdy transmisja nie była przerwana. 5. Podsumowanie Analizując zamieszczone w artykule wyniki pomiarów symulacyjnych można zauważyć, że bez względu na to, w jakim miejscu przebiegu i niezależnie od kształtu sygnału sterującego występującego podczas zaniku, odzyskany sygnał był zawsze bardzo zbliżony do oryginalnego. / Pomiary Automatyka Robotyka 57
nauk. M. Rybakowski, J. Stebila, Zielona Góra: Wydaw. Nauk. Polskiego Tow. Profesjologicznego,, 7 7. 4. Milecki A., Bachman P., Chciuk M.: Control of a small robot by haptic joystick with magnetorheological fluid. Mechatronic Systems and Materials MSM : 7 th International Conference. Kaunas, Litwa,. 5. Milecki A., Bachman P., Chciuk M.: Wykrywanie kolizji w teleoperatorze z interfejsem dotykowym i systemem wizyjnym. Pomiary Automatyka Robotyka, /, 655 66. The control of active haptic joystick HapticUZ -DOF/DC Rys. 5. Odtworzone sygnały w układzie z zanikiem od 6, do 6,5 s Fig. 5. The reconstructed signals in the system with fading transmission from 6, to 6,5 s Abstract: The article electro-hydraulic servo control system by the operator via a joystick with force feedback describes. Given the intention to use wireless communication, built in MATLAB/Simulink simulation model of the system. Conducted simulation studies the behavior of the system in case of temporary loss of connectivity. Algorithm estimates based on information transmitted differential signal previously received is proposed and modeled. Simulation studies have shown that the proposed algorithm is effective for the studied cases signal loss and protects the drive against step signal changes. Zastosowanie w sterowaniu opisanego wyżej algorytmu powoduje znaczną poprawę zachowania się badanego układu w przypadku zaniku. Zmniejszone zostały nagłe skoki zmian położenia tłoka siłownika przy zaniku. Algorytm opisany w artykule można stosować nie tylko w bezprzewodowej, ale również w transmisjach przewodowych w układach telemanipulatorów, na wypadek przerwania przewodów łączących współpracujące urządzenia. W dalszych pracach opisany algorytm zostanie zweryfikowany w badaniach doświadczalnych. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy Zastosowanie metod sztucznej inteligencji do nadzorowania pracy urządzeń mechatronicznych z napędami elektrohydraulicznymi sterowanymi bezprzewodowo. Bibliografia. [www.atmel.com] Atmel Corporation.. Chciuk M., Bachman P., Milecki A.: Modelowanie serwonapędu elektrohydraulicznego sterowanego dżojstikiem typu haptic. 3 rd International Conference MANUFAC- TURING : contemporary problems of manufacturing and production management, Poznań.. Bachman P.: Siłowe sprzężenie zwrotne w hydraulice. Hydraulika i Pneumatyka, nr /9, 9.. Chciuk M., Milecki A., Myszkowski A.: Applications of magnetorheological brakes in manual control of lifting devices and manipulators. Journal of Physics: Conference Series, 9, Vol. 49. 3. Gawłowicz P., Bachman P., Chciuk M.: Interfejsy dotykowe jako sposób komunikowania się człowieka z maszyną, Wybrane problemy środowiska pracy i gospodarki, red. Keywords: servo drive, wireless control, signal estimation prof. dr hab. inż. Andrzej Milecki Profesor zwyczajny w Instytucie Technologii Mechanicznej, Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania Politechniki Poznańskiej. Kierownik Zakładu Urządzeń Mechatronicznych. Specjalność naukowa: budowa i eksploatacja maszyn, mechatronika, elektrohydraulika, automatyzacja maszyn. e-mail: andrzej.milecki@put.poznan.pl mgr inż. Paweł Bachman Asystent w Instytucie Edukacji Techniczno- Informatycznej, Wydział Mechaniczny, Uniwersytet Zielonogórski. Zainteresowania: mechatronika, sterowanie. Jest stypendystą w ramach Poddziałania 8.. Regionalne Strategie Innowacji, Działania 8. Transfer wiedzy, Priorytetu VIII Regionalne Kadry Gospodarki Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego Unii Europejskiej i z budżetu państwa. e-mail: P.Bachman@eti.uz.zgora.pl mgr Marcin Chciuk Asystent w Instytucie Edukacji Techniczno- Informatycznej, Wydział Mechaniczny, Uniwersytet Zielonogórski. Zainteresowania: mechatronika, sterowanie. e-mail: M.Chciuk@eti.uz.zgora.pl 58 Pomiary automatyka Robotyka /