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Entwicklung eines Steuercontrollers für einen Manipulatorarm, sowie Implementierung und Validierung der Steueralgorithmen

Entwicklung eines Steuercontrollers für einen Manipulatorarm, sowie Implementierung und Validierung der Steueralgorithmen

Aufgabestellung:

Als langfristiges Ziel ist in der Wissenschaftlichen Einrichtung 4 "Datentechnik und Schaltungstechnik" der Universität der Bundeswehr festgelegt, den Manipulatorarm auf die Roboterplattform FTW-TV5 Rumbler zu integrieren. Hierfür wurden Untersuchungen bezüglich der Kinematik in MATLAB durchgeführt worden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden als Simulation in MATLAB und 3D-Model in C# umgesetzt. Die beiden Realisierungen beinhalten die Steuerung des Armes mit inverser Kinematik.

Im Rahmen der Masterarbeit sollten die notwendige Hardware für den Manipulatorarm entwickelt und die Software zur Steuerung des Arms implementiert werden. Die Validierung der Steueralgorithmen war ebenfalls ein Teil der Arbeit. Im Einzelnen war die Aufgabe folgend gegliedert:

  • Entwicklung einer Basisplatine für den Steuerprozessor mit einem ARM Cortex M3-Prozessor (STM32). Auf der Steuerplatine wird ein vorhandenes ETTI4-Prozessormodul eingesetzt um den Manipulatorarm zu steuern. Die weitern benötigten Komponente sind auf der Steuerplatine zu integrieren. Zusätzlich sollten ein LCD für die Ausgaben und vier Taster für die Eingabe zu den Hardware-Komponenten hinzugefügt werden.
  • Entwicklung eines Steuerprogramms in C (Keil MDK) unter Nutzung des ARM RTOS mit dem Ziel: Anfahren von vorgegebenen Positionen und Positionsbestimmung über die eingebauten Sensoren. Die Kommunikation mit den übrigen Prozessorkomponenten erfolgt über CAN.


Durchführung:

Im Ersten Teil der Arbeit wurde die Hardware entwickelt, die erforderlich ist, um die zuvor an dieses Subsystem festgestellten Anforderungen zu erfüllen. Dafür wurden zwei Platinen entwickelt. Eine ist die Steuerplatine mit dem Prozessormodul STM32-100 Pin Mini und mit den allen notwendigen Schnittstellen für die Anbindung der restlichen Komponenten des Subsystem. Die Steuerung des Manipulatorarms erfolgt über eine RS232-Schnittstelle, die Kommunikation mit den anderen Subsystemen über den CAN-Bus und die Ausgabe auf dem LCD über SPI.

Im zweiten Teil wurde die Software für den Mikroprozessor erstellt. Unter Nutzung des ARM RTOS wurden die Steueralgorithmen und die Funktionen für die Steuerung und die Kommunikation implementiert. Auf dem LCD wurde ein Menü realisiert. Die Navigation im Menü erfolgt mit der, oben genannter vier Taster.


Fazit:

Der Arm Subsystem Controller erfüllt alle gestellte Anforderungen. Die notwendige Hardware für das Subsystem „Arm“ wurde entwickelt und dokumentiert. Die Anbindung aller vorhandenen Peripherie-Komponenten und neue entwickelten LCD-Switches-Adapter funktioniert fehlerfrei. Das Ergebnis der Programmierung ist ein Steuerprogramm mit allen Funktionen für die Verwendung des Steuercontrollers, alleine oder in Verbindung mit dem gesamten System „Rumbler“.

 

Artur Dietrich (August 2011)