Regelungstechnik

Beschreibung der Arbeitsgruppe:

Die Arbeitsgruppe Regelungstechnik beschäftigt sich mit der Modellierung, Beobachtung und Regelung linearer unsicherer dynamischer Systeme. Die Unsicherheit bzw. das Informationsdefizit ergibt sich in der Praxis meist aus einer unvollständigen Modellierung, aus indirekten Messungen (Beobachtungen), aus stark fehlerbehafteten bzw. unvollständigen Messungen oder aus der Diskretisierung für den Digitalrechnereinsatz.

Die Regelstrecken setzen sich i.a. aus

  • mechatronischen (z.B. Assistenzsysteme in der Fahrzeugtechnik),
  • mikrooptoelektronischen (z.B. mikrooptisches Analysesystem),
  • optomechatronischen (z.B. bildrückgeführte Regelung) und
  • akustischen (z.B. "active noise control")

Systemen zusammen.

Beim Reglerentwurf werden sowohl lineare (z.B. H∞  Modifikationen), linear adaptive (z.B. Prädiktor/Korrektor Verfahren) oder nichtlineare (z.B. Lyapunov-Verfahren) Konzepte entwickelt und experimentell zum Einsatz gebracht. Im Zusammenhang mit Messunsicherheiten werden Fuzzy-Modelle und lineare wie nichtlineare Beobachtungsmodelle untersucht. Experimentelle Identifikationsverfahren, wie z.B. Frequenzkennlinienverfahren spielen bei großen Modellierungsdefiziten eine wichtige Rolle. Bei bildrückgeführter Regelung kommen darüber hinaus Problemfelder aus der mehrdimensionalen Signalverarbeitung wie Objekt- und Umfelderkennung hinzu.

  • laufende Projekte

    SIMULTAN-LOKALISATION UND KARTIERUNG SYSTEM UNTER VERWENDUNG VON LUFTKAMERA

    Gerade in den Bereichen der Roboternavigation, der Lokalisation und Kartierung, sowie im Augmented oder Virtual Reality hat in den letzten Jahren die Nachfrage nach Echtzeit-3D-Rekonstruktionsmethoden stark zugenommen. Ein vielversprechender Ansatz zur Implementierung von 3D-Rekonstruktionsmethoden ist das Prinzip des Simltaneous Localization and Mapping, kurz SLAM genannt. Das Ziel dieser Methode ist einerseits die 3D-Rekonstruktion der Umgebung und anderseits die zu ihr relative Lokalisierung und Verfolgung bewegender Objekte.

    Aufgrund vieler Vorteile, wie beispielsweise der Verfügbarkeit, den Anschaffungs- und Unterhaltungskosten, sind visuelle Sensoren, wie Farbkameras, im Zusammenhang mit SLAM Systemen weit verbreitet. In dem Kontext werden solche Systeme Visual SLAM oder vSLAM genannt.Die Verbreitung von visuellen Echtzeitsysteme zur simultanen Lokalisation und Kartierung (VSLAM) in der Forschung ) in letzter Zeit stark zugenommen. Damit einhergehenden hat die 3D Rekonstruktion gerade in Verbindung mit der Navigation von Robotern (wie bei ferngesteuerten, unbemannten Flugkörpern (UAV) eine gro0e Bedeutung erlangt. Aktuelle VSLAM-Systeme verwenden jedoch herkömmliche Bildverarbeitungsalgorithmen zur Poseschätzung, wie z.B. ORB-SLAM. Allerdings ist die Leistungsfähigkeit solcher Algorithmen bei Bildern mit vielen unterschiedlichen und komplexen Texturen stark eingeschränkt. Somit ist die Genauigkeit herkömmlicher Algorithmen bei komplexen und halb-komplexen Umgebungen sehr begrenzt.

    Im Vergleich zu solchen, auf Merkmalen basierenden, indirekten VSLAM Lösungen, soll ein direktes SLAM System entwickelt werden, das sowohl auf Basis von halb-komplexen oder gar komplexen Umgebungen 3D Modelle entwickelt und hochgenaue Poseschätzungen vornimmt.

    Im Rahmen des Projekts werden direkte Farbdaten genutzt, um zeitlich aufeinander folgende Frames des Videostreams zu registrieren, ohne eine zeitaufwendige Merkmalsextraktion durchzuführen. Durch die mit Hilfe der Tiefendaten gewonnenen Poseschätzungen lassen sich 3D Modelle der Umgebung rekonstruieren. Eine anschließende Sliding-Window-Optimierung erlaubt die Berechnung einer lokalen Transformationsmatrix, wodurch der Schätzungsfehler minimiert werden kann. Für eine hochgenaue 3D-Rekonstruktion wird der Ansatz des Bundle Adjustments genutzt.

    Um den Algorithmus in halb-komplexen, bzw. komplexen Umgebungen zu evaluieren, soll ein Mikro-UAV mit MiniPC und einer Farbkamera mit integriertem Tiefensensor ausgestattet werden. Durch den Einsatz von Tiefendaten lässt sich das von herkömmlichen SLAM Lösungen bekannte scale-drift-Problem auf einfachem Weg umgehen. Um Daten in Echtzeit zu verarbeiten, wird der Algorithmus zweigeteilt. Die Kartierung und Poseschätzung werden direkt auf dem Mini-Computer des UAVs berechnet, wohingegen der Optimierungsalgorithmus mit einem stationären PC auf dem Boden durchgeführt wird. Die Kommunikation beider Computer wird mittels Funkübertragung durchgeführt.

    Ansprechpartner: M.Eng. Hang Luo

  • abgeschlossene Projekte

    ROBOTERGESTÜTZTE MONTAGE OPTISCHER SYSTEME MITTELS PRÄDIKTOR-KORREKTOR-VERFAHREN

    Problematik 

    Heutzutage ist noch kein individualisierter und automatisierter Prozess zur Herstellung optischer Systeme möglich. Dies ist einerseits bedingt durch den stetigen Drang zur Miniaturisierung optischer Systeme, andererseits kommt es aufgrund individuellen Fertigungswünschen zu hohen Ausschussraten optischer Komponenten während des Montageprozesses. Zur Lösung der Problematik werden  gegenwärtig kostenintensive aktive oder passive Verstellmechanismen verbaut. Diese müssen teilweise noch händisch feinjustiert werden, was auch zu erhöhten Personalkosten führt.

    Ziel

    Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit dem funktionsorientierten Aufbau optischer Systeme und zielt darauf ab, die hohen geforderten Toleranzen sowohl der optischen Komponenten als auch der Positioniersysteme zu verringern. Des Weiteren soll auch eine geringere Ausschussrate optischer Komponenten während des Herstellungsprozesses gewährleistet werden.

    Ansatz

    Um das genannte Vorhaben umzusetzen wird ein Prädiktor-Korrektor-Verfahren für den Montageprozess eingesetzt. Dieses beruht auf dem schrittweisen Aufbau des optischen Systems, bei dem ein Simulationsmodel parallel zum Montageprozess mitläuft und ständig mittels Identifikationsverfahren an die Realität angeglichen wird. Somit werden Vorhersagen für die Platzierung zukünftiger optischer Komponenten möglich (Prädiktionsschritt). Unter Prüfung der gewünschten Forderungen (z.B. an die Wellenfront) kann somit immer eine Änderung der nominellen Position berechnet werden (Korrekturschritt) um ständig die Funktionalität des optischen Systems zu gewährleisten.

    Experimenteller Aufbau 

    Der experimentelle Aufbau besteht im Wesentlichen aus einem Positioniersystem und einem optischen System, welches es aufzubauen gilt. Als Positioniersystem wird ein Makro-mikro-Manipulator inklusive Greifer eingesetzt, welcher sich einerseits durch einen großen Arbeitsraum und andererseits durch hochpräzise Verfahrwege auszeichnet. Als optisches System wird prototypisch ein Michelson-Interferometer verwendet, welches mittels eines Wellenfrontsensors ausgelesen wird. Dieser kann benutzt werden um mittels Identifikationsverfahren Rückschlüsse auf die Position einzelner optischer Komponenten  zu ziehen.  

    Ansprechpartner: Dr.-Ing Christian Pape

    BILDRÜCKGEFÜHRTE REGELUNG EINES OPTOMECHANISCHEN DEROTATORS ZUR MESSUNG AN ROTIERENDEN BAUTEILEN

    Rotierende Bauteile sind in einer Vielzahl von Maschinen verbaut. Um einen effizienten und sicheren Betrieb zu gewährleisten ist eine Überprüfung dieser unerlässlich. Dieses lässt sich am zuverlässigsten durch Messungen erreichen, insbesondere wenn diese berührungslos und während des eigentlichen Betriebs durchgeführt werden. So kann sichergestellt werden, dass die Ergebnisse nicht durch das Messsystem verfälscht werden.

    Konventionelle Messmethoden geraten bei sich bewegenden Bauteilen, vor allem wenn diese einer Rotationsbewegung unterliegen, jedoch schnell an ihre Grenzen. Die Ursache bei Bildaufnahmen (mit gewöhnlichen Hochgeschwindigkeits- oder Thermografiekameras) liegt in der Entstehung von Bewegungsunschärfe. Rotieren Objekte mit einer hohen Geschwindigkeit oder ist es notwendig eine lange Belichtungszeit zu wählen (aufgrund schlechter Beleuchtungsverhältnisse oder bedingt durch die Arbeitsweise der Kamera), entsteht eine in den Messdaten wahrnehmbare Bewegung des Objektes. Messverfahren, die einen Messstrahl aussenden (wie zum Beispiel Laser Doppler Vibrometer), können nicht auf einen Punkt auf dem rotierenden Objekt fokussiert werden und verfälschen dadurch das Ergebnis. Eine Lösungsmöglichkeit bietet ein optomechanischer Derotator. Durch eine rotierende Spiegelanordnung ist der Derotator dazu in der Lage optisch die Bewegung eines drehenden Messobjektes zu kompensieren.

    Dazu ist es notwendig, dass sich der Derotator mit genau der halben Geschwindigkeit des zu messenden Objektes bewegt. Um diese zu bestimmen, wird am Institut für Mess- und Regelungstechnik (IMR) ein bildgestützter Ansatz verwendet. Feature auf dem Messobjekt, entweder spezifische Strukturen auf dem Objekt oder extern angebrachte Marker, müssen dafür zunächst erkannt und dann weiter verfolgt werden, um so die Winkellage des Objektes zu ermitteln. Die so ermittelte Position wird dann einem Regler als Führungsgröße übergeben, um so den Derotator auf die entsprechende Lage und Geschwindigkeit zu regeln.

    Weiterhin ist es notwendig, dass die optische Achse des Derotators koaxial zur Rotationsachse des rotierenden Objektes ausgerichtet wird. Aus diesem Zweck wird der Derotator auf einer 6-Achs-Parallelkinematik, einem sogenannten Hexapod, gelagert. Dieser kann seine Position in allen sechs Raumrichtungen hochgenau anpassen. Hierfür werden am IMR optische Verfahren eingesetzt, die translatorische und rotatorische Abweichungen in einem zweistufigen Optimierungsprozess eliminieren

    Sind diese Voraussetzungen getroffen, kann der Derotator zur Unterstützung an vielfältigen Messaufgaben genutzt werden. Am IMR werden diese Messungen vorbereitet, durchgeführt, ausgewertet und interpretiert. Besonders Messungen, bei denen

    • Bewegungsunschärfe auf Grund von langen Belichtungszeiten und hohen Geschwindigkeiten auftritt,
    • Messstrahlung emittiert und auf ein Objekt fokussiert wird (zum Beispiel Laser Doppler Vibrometrie),
    • hohe Bildwiederholraten notwendig sind,

    können durch den Einsatz des Derotators verbessert oder erst ermöglicht werden.

    MAKRO-MIKRO-KINEMATIK ZUR MIKROMONTAGE

    Allgemeine Information

    Der Schwerpunkt des Forschungsvorhabens liegt in der Erforschung von Methoden zum Aufbau eines Handhabungssystems, welches die aktorische Grundlage für ein klinikgerechtes, ultragenaues mechatronisches Assistenzssystem bilden soll. Ziel ist es dabei, eine Auflösung von 1 µm in einem Arbeitsvolumen von 10 mm³ zu erreichen, wobei das Arbeitsvolumen flexibel im Raum positioniert werden kann.

    Die technische Umsetzung erfolgt durch die Kopplung einer Piezoaktorik an einen 6-Achs-Präzisionsroboter (µKRoS316). Der Roboter übernimmt die Positionierung der Werkzeuge im gesamten Arbeitsbereich (Makro-Positionierung). Der Mikro-Positioniereinheit kommen Aufgaben wie Kompensation der Lage-Ungenauigkeiten des Roboters, Ausgleichen von Schwingungen und das hochgenaue Verfahren des Werkzeugs zu.

    Das Arbeitsprogramm lässt sich entsprechend der oben genannten Arbeitsschwerpunkte in fünf Bereiche gliedern:

    • Entwurf einer gekoppelten Regelung
    • Aufbau eines externes Messsystems zur Realtime-6D-Lagebestimmung
    • Erforschung von Methoden zur Verbesserung der 6D-Lagegenauigkeit von Positioniereinheiten
    • Matching der Koordinatensystemen von Positioniereinheiten und des Messsystems und Bahnplanung
    • Entwicklung und Konstruktion des Werkzeugsatzes

    Gekoppelte Regelung

    In diesem Teilprojekt wird die Kopplung des Roboters mit der Piezoaktorik untersucht. Dazu wird versucht die Regelung des 6-Achsen-Roboters µKRoS und des xyz-Piezo-Tisches der Firma Cedrat zu verbessern. Weiterhin werden die Wechselwirkungen zwischen Piezo-Tisch und Roboter und ihre Auswirkungen auf die Gesamtgenauigkeit untersucht. Das Projekt umfasst eine Modellierung des Roboters einschließlich der neun Torque-Motoren und des Piezo-Tisches. Abschließend soll zur Validierung mit dem Gesamtsystem und einer Mikro-Fräse eine hochgenaue Bearbeitung durchgeführt werden.

    Aufbau eines Messsystems

    Ohne ein geeignetes Messsystem ist keine gekoppelte Regelung möglich. Das Messsystem soll die Position und Orientierung des Roboterendeffektors in Echtzeit erfassen, damit die Abweichung des Werkzeuges durch den xyz-Piezo-Stelltisch rechtzeitig korrigiert wird. Für diese Aufgabe können zwei Hochgeschwindigkeitskameras mit telezentrischen Objektiven, deren optische Achsen senkrecht zueinander orientiert sind, eingesetzt werden. Ein solches Messsystem ermöglicht die Erfassung der 6D-Position mit einer Subpixelgenauigkeit von 1,5 µm, hat aber eine begrenzte Abtastfrequenz.

    Kalibrierung der Positioniereinheiten

    In industriellen Anwendungen wird die absolute Positionierbarkeit von Robotern durch die Kalibrierung der Geometrieparameter verbessert. Die Genauigkeiten, die dabei erreicht werden, liegen im Bereich < 0,7 mm und werden daher den aktuellen medizintechnischen Anforderungen nicht gerecht. Um die Voraussetzungen zu erfüllen, den Roboter als Handhabungssystems einsetzen zu können, wird daher eine Absolutgenauigkeit von < 0,1 mm bzw. < 0,1° in einem Arbeitsbereich von 10 mm³ angestrebt.

    Hierzu werden zwei Ansätze verfolgt:

    • Kompensation der rein geometrischen Einflussfaktoren wie Durchbiegung und Nulllagenfehler
    • Kompensation der 6D-Temperaturdrift (nicht geometrischer Fehler)

    Aufgrund der Beschränkung des Arbeitsvolumens auf 10 mm³ kann vereinfachend angenommen werden, dass die Bewegungen des Roboters linear sind und sich durch Polynomfunktionen beschreiben lassen. Erste Untersuchungen haben dabei bereits gezeigt, dass sich Absolut-Genauigkeiten von < 0,087mm bzw. < 0,09° erzielen lassen.

    Weiterhin müssen auch die Achsen des Piezotisches kalibriert werden, denn die Achsen des Piezo-Tisches stehen zueinander nicht senkrecht und ihre Orientierung zum Kameramesssystem und Roboterendeffektor sind anfangs nicht bekannt. Selbst die Piezoachsen besitzen leichte Abweichungen von ihrer Approximationslinie. Durch eine geeignete Kalibrierungsmethode werden die Zusammenhänge ermittelt um obengenannte Probleme zu eliminieren.

    Matching der Koordinatensystemen und Bahnplanung

    Die Bearbeitung muss in einem absoluten Koordinatensystem geschehen. Dafür müssen die Koordinatensysteme des Roboters, Messsystems und Piezo-Tisches, des Werkstücks und des Werkzeugs zu einem gemeinsamen Koordinatensystem zusammengeführt werden. In diesem Koordinatensystem soll auch eine Trajektorie für die Bewegung des Werkzeugs gebildet werden. Um die Positionierungsfehler des Roboters durch einen Piezo-Tisch zu korrigieren, wird eine Methode entwickelt, die das Werkzeug nur der Position hält, die möglichst nah zu der Soll-Bahn liegt. Diese Methode soll die Verzögerungen in der Kommunikation zwischen dem Roboter und dem Piezo-Tisch komplett ausschliessen.

    Werkzeugsatz

    Um erwähnte Kalibrierungsmethoden und Matching der Koordinatensysteme zu realisieren, muss ein Werkzeugsystem entwickelt werden, das einerseits zur Roboterkonstruktion angepasst wird und andererseits die Ermittlung der Werkzeug- und Werkstückparameter erlaubt.

    Ansprechpartner: Dr.-Ing. Christian Pape 

ANSPRECHPARTNER

Dr.-Ing. Christian Pape
Gruppenleitung
Regelungstechnik & Akustik
Adresse
An der Universität 1
30823 Garbsen
Gebäude
Raum
115
Dr.-Ing. Christian Pape
Gruppenleitung
Regelungstechnik & Akustik
Adresse
An der Universität 1
30823 Garbsen
Gebäude
Raum
115