Ein Beitrag zur Steuerung und Regelung des hydraulisch angetriebenen Schwerlastroboters ALDURO

(2010), XVI, 145 S.
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Mechatronik und Systemdynamik
Schramm, Dieter (Doktorvater, Betreuerin)
Tracht, Rudolf (GutachterIn)
Dissertation
Abstract:
Die Tatsache, dass die Hälfte der Landoberfläche der Erde nur zu Fuß erreicht werden kann und dazu die bereiften Fahrzeuge ihre Effizienz im unwegsamen Gelände verlieren, war den Beweggrund für die Entwicklung autonom operierender mobiler Roboter. Ausgehend von der kinematischen Struktur des menschlichen Beins wurde der vierbeinige rechnergesteuerte Schwerlastroboters ALDURO konstruiert und aufgebaut.

Laufmaschinen stellen typische Beispiele zeitinvarianter dynamischer Systeme dar, was ihre Steuerung und Regelung erschwert. Daher führen lineare Regelungsansätze zu keiner zufriedenstellenden Regelgüte. In den vorherigen Arbeiten zur Steuerung und Regelung des Laufroboters ALDURO werden die Dynamik des Antriebsystems, die Reibkräfte, die Dynamik der Umgebung sowie die auf die Aktoren wirkenden Interaktionskräfte bei Auslegung der eingesetzten modellbasierten Lage- und Kraftregelung nicht berücksichtigt, welche das Verhalten des geschlossenen Regelkreises beeinflussen. Darüber hinaus hängt die modellbasierte Regelung von Genauigkeit des mathematischen Modells der Laufmaschine ab. Die Entwicklung der auf Fuzzy-Logik basierten Regelungskonzepte stellt in dieser Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Anpassung der Geschwindigkeitsregelungsparameter für die Antriebe dar, so dass die Regelungsparameter entsprechend der aktuellen Antriebdynamik in jedem Zeitpunkt angepasst werden. Der scharfe Wert des direkten Fuzzy-Geschwindigkeits-reglers wird gemäß der auf den Zylinder wirkenden Kräfte und der Regelabweichung angepasst. Mit steigender Anzahl der Fuzzy-Mengen der Ein- und Ausgangsgrößen und der Regelbasis steigt die Rechenzeit. Der Vorteil beim Einsatz der Fuzzy-Logik zur Adaption der klassischen Reglerparameter ist die Möglichkeit, dass auf das Antriebmodell verzichtet werden können. Darüber hinaus können die Nichtlinearitäten im Übertragungsverhalten berücksichtigt werden. Innerhalb dieser Strukturen wird weiterhin zur Minimierung des Rechenaufwands ein klassischer Regelkern eingesetzt, dessen Parameter durch die Fuzzy-Logik angepasst werden.

Die Rückführungsregelung beruht auf der Tatsache, dass alle Zustände des Antriebs zu jedem Zeitpunkt zur Verfügung stehen. Aufgrund der hohen Kosten der Sensorik kommen hier Beobachter zum Einsatz. Die Zustände und die auf den Zylinder wirkenden Kräfte der hydraulischen Antriebe werden anhand des modellbasierten Proportional-Integral-Beobachters (PI-Beobachter) geschätzt. Der I-Anteil dient dabei zur Abschätzung der Nichtlinearitäten und der unbekannten Störgrößen des Systems. Durch eine geeignete Rückführungsmatrix wird ein robustes Verhalten des PI-Beobachters erzielt.

Zur Berechnung des geforderten Pumpenvolumenstroms für den Laufroboter ALDURO beim Laufen mit einem periodischen Gangmuster ist die Modellierung des gesamten Roboters sowie der Umgebung in der Simulationsumgebung, wie z. B. MODELICA/DYMOLA erfolgt. Das periodische Gangmuster gewährleistet die statische Stabilität beim Laufen. Die Aufstandkräfte werden in Abhängigkeit von der Standphase auf die neun bzw. zwölf Zylinder aufgeteilt, wodurch die Druckabfälle an den Zylindern ermittelt werden können. Darauf basierend wird die hydraulische Antriebsleistung entsprechend dem mechanisch-hydraulischen Wirkungsgrad und der Antriebsdrehzahl berechnet. Durch die Kenntnisse von Durchmesser, Hub und Geschwindigkeit (aus dem Gangmuster) der hydraulischen Zylinder wird eine Berechnung des geforderten Pumpenvolumenstroms durchgeführt. Daher kann die maximale Laufgeschwindigkeit des Roboters unter der Ausnutzung der maximalen Leistung des Antriebsystems abgeschätzt werden.

Dieser Eintrag ist freigegeben.