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Regelungskonzepte bildverarbeitungsgestützter Bewegung eines Objektes

Am Institut für Mess- und Regelungstechnik wurde ein Versuchstand zur Stabilisierung eines 3D-inversen Pendels gebaut. Für die Bestimmung der Position des Pendels ist es notwendig die Positionen des Fußpunktes und der Spitze des Pendels zu ermitteln. Die Position der Spitze des Pendels – genau gesagt der weißer Kugel – wird mit Hilfe der Hochgeschwindigkeitskamera ermittelt. Die CMOS-Kamera macht 148 Bilder pro Sekunde. Der Zusammenhang zwischen den 2D-Bildkoordinaten und den 3D-Weltkoordinaten wird durch eine vorherige Kamerakalibrierung hergestellt. Die Position des Fußpunktes bzw. des Wagens wird über die Schrittmotoren ermittelt.
Ziel der Regelung ist es, das Pendel in der stabilen aufrechten Lage an einer Position zu halten, im zweiten Schritt soll sich das Pendel auf eine Bahn – im Speziellen auf einem Kreis - stabil bewegen. Es werden ein PID-Regler, ein Regler mit Zustandsrückführung, ein MRAC- Regler (model reference adaptive control) mit Vollzustandrückführung und ein nichtlinearer Regler verwendet. Technisch wird die Steuerung mit Hilfe der xPC-Target Toolboxes von MATLAB realisiert. Die Regelungsalgorithmen werden vom Target-PC ausgeführt. Auf dem Host-PC wird lediglich die Bildverarbeitung ausgeführt und die Ergebnisse werden zum Target-PC durch die Ethernet-Verbindung geschickt.
Diese Regelungskonzepte könnten für die Stabilisierung der Patienten in der Strahlentherapie verwendet werden.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Alexej Janz

Kalibrierung, Identifikation und Regelung eines optomechanischen Bildderotators

Der Schwerpunkt dieses Forschungsvorhabens konzentriert sich auf die Identifikation und Regelung eines am Institut entwickelten Bildderotators, der im Gegensatz zu konventionellen Derotatoren nicht mit einem Glas-Prisma sondern mit einer rotierenden Spiegelkörper-Anordnung ausgestattet ist, durch die Aberrationen vermieden und thermografische Untersuchungen ermöglicht werden.

Die Untersuchung rotierender Objekte während des Betriebs ist nur möglich, wenn gewährleistet ist, dass die optische Achse der Spiegelkonfiguration mit der Rotationsachse des Messobjektes übereinstimmt. Damit dieser komplizierte Prozess der Justage automatisiert werden kann, ist der Derotator auf einem Hexapod (6-Achsen-Parallel-Kinematik) montiert. Die Abweichung von der Sollposition wird mit einer Hochgeschwindigkeitskamera bestimmt. Ein wichtiger Meilenstein innerhalb des Projektes ist das Zusammenwirken von Kamera und Hexapod mit einem Echtzeit-System (National Instruments LabVIEW Real-Time) zu koordinieren, wobei Algorithmen entwickelt werden, die es ermöglichen direkt aus den Bilddaten Rückschlüsse auf die Soll-Ist-Abweichung abzuleiten (merkmalsbasierte Streckenidentifikation).

In einem weiteren Schritt wird die kaskadierte Regelkreisstruktur der Derotatorsteuerung deaktiviert, um so eine Identifikation zu ermöglichen, auf deren Grundlage erweiterte Regelungskonzepte implementiert werden. Ziel der Reglererweiterung ist eine Verbesserung der Lagereglergüte bei transienten Betriebszuständen des Messobjektes. Die Realisierung des neuen Regelungskonzeptes wird von dem Echtzeit-System übernommen.

Damit Messaufgaben mit dem Derotator im Vorfeld unter Laborbedingungen getestet werden können, wird der Versuchsstand mit einem hochdynamischen Synchronmotor ausgestattet, der das Verhalten des Messobjektes durch hinterlegbare Geschwindigkeitsprofile simuliert. Auch die Regelung dieses Motors soll von dem Echtzeit-System übernommen werden, sodass der gesamte Versuchsstand zentral überwacht und gesteuert werden kann.

Ansprechpartner: M. Sc. Bettina Altmann