Témata bakalářských a diplomových prací @mechlab Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně 2014
Obsah prezentace 1. Stručné představení oboru Mechatronika 2. MechLab představení laboratoře 3. Témata BP a DP 3.1. Práce v uplynulých letech. 3.2 Obecné poznámky a okruhy témat 3.3. Konkrétní témata prací 4. Organizační poznámky ODKAZ NA TUTO PREZENTACI: (jeden z těchto) http://goo.gl/gmdirp /pro-studenty http://mechlab.fme.vutbr.cz/pro-studenty/ 2
1. Představení studijního oboru MECHATRONIKA
Co je to mechatronika? 1/2 Mechatronika integruje mechaniku (strojírenství), elektrotechniku a informatiku do jednoho výrobku. Typický mechatronický systém snímá signály z prostředí (sensory), zpracovává je (procesor) a generuje výstupní signál, který se např. transformuje v mechanický pohyb (elektromotor). http://www.mcgs.ch/mechatronics_definition.html 4
Co je to mechatronika? 2/2 Stále více průmyslových výrobků (od domácích spotřebičů až po komponenty automobilů) má mechatronický charakter = původně čistě mechanická struktura je nahrazována elektromechanickým řešením s počítačovým řízením. Někdy přitom získáme zcela novou kvalitu výsledného systému (enabling technologies). Příkladem může být např. systém ABS u osobního automobilu. 5
Studium Mechatroniky na FSI VUT v Brně Mechatronika je tedy mezioborovým inženýrským studiem. Její výuka na VUT je zajišťována pedagogy z FSI (mechanika, informatika) a FEKT (elektrotechnika, elektronika). Studenti tak získají poměrně široké spektrum znalostí a dovedností, přičemž důležitou součástí výuky jsou cvičení a projekty v laboratořích. SHRNUTÍ: Mechatronika je moderní obor, který propojuje mechaniku, elektro(tech)niku a počítačové řízení. Aplikace mechatroniky = mechatronické výrobky jsou všude kolem nás. Mechatroniku vyučují lidé z FSI a FEKT. 6
2. Představení MechLabu (Mechatronické laboratoře)
O MechLabu MechLab je jednou z laboratoří ÚMTMB FSI VUT v Brně. Posláním mechatronické laboratoře je vzdělávání, vědecká a výzkumná činnost a spolupráce s průmyslem. MechLab vznikl a funguje na základě hlubokého přesvědčení, že práce s reálnými výukovými modely řízenými z PC je podstatně zajímavější cestou k získání zájmu o obor, motivace i znalostí a dovedností, než běžné teoretické studium doplněné simulacemi. Aktivní účast studentů na výzkumných a/nebo průmyslových projektech je přirozeným doplňkem a pokračováním základní výuky. 8
O MechLabu Mechatronická laboratoř (MechLab) se zaměřuje na všechny podstatné aspekty mechatroniky, tj. modelování a simulace, identifikace systémů, programování, zpracování signálu, návrh embedded systémů a další. Používáme přitom moderní hardware společně se softwarovými nástroji pro modelování, simulaci a programování (MATLAB/Simulink, dspace, NI LabVIEW, Xilinx). Umíme řešit úlohy kinematiky a dynamiky, navrhnout a vyrobit DPS či kompletní průmyslový datalogger, naprogramovat mikrokontrolér nebo FPGA. Naší silnou stránkou je právě schopnost realizovat komplexní projekt jako celek. Specializujeme se na rychlý návrh řídicích systémů (Rapid Control Prototyping) a HIL (hardware-in-the-loop simulace). 9
O MechLabu: vybavení V Mechlabu máme moderní přístrojové vybavení zaměřené na měření a zpracování signálu a řízení reálných soustav. Pro výuku a výzkum je k dispozici řada zajímavých modelů. 12+1 počítačů s I/O kartou MF 624 12+1 vývojových kitů EduKit s mikrokontrolérem dspic33 12+1 set stavebnice LEGO Mindstorms NXT výukové modely helikoptéra, magnetická levitace, 12x soustava s DC motorem modulární systém dspace mnoho vybavení od firmy National Instruments (PXI, crio, single board RIO, USB hw,... laboratorní zdroje, osciloskopy, multimetry,... 10
O Mechlabu projekty řešené s průmyslovými partnery Vývoj zařízení pro testování nádržových modulů náklonem, BOSCH, 2014 Vývoj zařízení pro měření vibrací ložisek a bezdrátový přenos dat, ZKL, 2014 Pokračování vývoje simulátoru s ručním ovládáním, úprava aplikace s VISA drivery (NI LabVIEW), ŠKODA Auto, Mladá Boleslav, 2014 Školení v oblasti identifikace systémů, zpracování signálů a tenzometrických měření, Knorr-Bremse AG, Mnichov, 2014 Vývoj testovacího zařízení pro DC a BLDC palivové pumpy na bázi hallových sensorů, Robert BOSCH, ČB, 2014 Vývoj HIL simulátoru s ručním ovládáním ŠKODA Auto, Mladá Boleslav, 2013 HIL řídicí jednotky parkovacího asistenta ŠKODA Auto, Mladá Boleslav, 2012 Vývoj testovacího zařízení pro DC pumpy, Robert Bosch, ČB, 2012 Vývoj testovacího zařízení pro vstřikovací trysky na bázi solenoidu pro DNOX, Robert Bosch, ČB, 2011 Monitorovací zařízení pro procesní kontrolu tepelného zpracování hliníkových odlitků - Alucast, 2011 11
3. Témata BP a DP 3.1. Obhájené DP a BP za posledních několik let
3x DP Hummer team (Zouhar, Štěpánek, Horák) kompletní tvorba vlastního vozítka typu SEGWAY návrh a tvorba konstrukce návrh a realizace elektroniky odhad parametrů návrh řízení pomocí dspace ve finále řízení pomocí dcpic Cíl: nemuset chodit na přednášky 4 členný tým Leader: Bc. František Zouhar Členové: Bc. Jan Štěpánek, Bc. Petr Horák 13
Projekt car4 (2010, 3x DP Vejlupek, Jasanský, Lamberský) Palubní elektronika Řídicí jednotka ACU44 postavená na dspic Výkonová elektronika H-bridge 60V 105A Dálkové ovládání Základní firmware Komunikace mezi řídicími jednotkami Dálkové ovládání Řízení motorů a serv Dynamické modely pro řízení trakce vozidla Aplikace filtrů pro online odhad parametrů vozidla 14
Rozšíření robotu Car4 o palubní počítač a snímače Kinect a Hokuyo (J. Najman) 15
DP Bradáč: Návrh řízení škrticí klapky osobního automobilu pomocí FPGA, crio a NI LabView Pojmy: FPGA crio Cíle: NI LabView naučit se pracovat s NI LabView a crio implementovat několik dodaných variant algoritmu pro řízení škrticí klapky testovat na reálné klapce 16
BP: Testovací plošina se třemi stupni volnosti (2013, Spáčil) cílem práce je návrh paralelní plošiny se třemi stupni volnosti použity budou lineární aktuátory Transmotec se zdvihem 300mm (DLA-12-5-A-300-POT-IP65) předpokládá se použití plošiny při testování funkcionality nádržového modulu (Robert Bosch, CB) 17
Testovací jednotka proporcionálních ventilů (Sova) cílem práce je navrhnout jednotku (např. na bázi uc PIC nebo Atmel) pro testování elektrohydraulických ventilů práce je vypsána firmou ŽĎAS, a.s. 18
Elektricky nastavovaný pojišťovací ventil pro HFA kapaliny cílem práce je navrhnout servopohon pro pojišťovací ventil hydraulického okruhu tunelového vakového lisu práce je vypsána firmou ŽĎAS, a.s. 19
Ondřej Klusáček (M 2009): Modelling, identification and control of rotary pendulum Nonlinear model created and parameters identified Use of LMD18245 H-Bridge for power electronics to provide momentum based control LQR stabilizing state-space controller designed Swing-up controller and switching algorithm designed and tested Zero steady-state error obtained with use of additional input integrator video ISMMB, Faculty Faculty of Mechanical of Mechanical Engineering, Engineering, Brno Brno University University of Technology of Technology 20
Počet DP a BP realizovaný v Mechlabu BP DP 2007 10 4 2008 0 1 2009 7 2 2010 4 3 2011 6 5 2012 7 2 2013 8 3 2014 5 4 2015?? 21
3.2. Obecné poznámky k výběru témat a okruhy prací
Několik poznámek k výběru tématu bak. práce Papír (a simulační model) snese vše. Práce s reálnou soustavou je zajímavější a poučnější. Zelený je strom reálných soustav (šedá je teorie a simulace). Při práci s reálnou soustavou lze čekat větší obtíže, ale také větší zábavu! Práce v MechLabu je časově náročná. Aplikace na reálné soustavě jsou příležitostí ověřit možnosti modelování a skutečnou kvalitu řízení! Funkční reálné zařízení je výstupem, o který se zajímá průmyslová praxe. Není třeba mít speciální dovednosti a znalosti ani IQ>150 zeptejte se starších kolegů, kolik času v labině strávili (a co jim to přineslo). V MechLabu pracujeme v týmu. Od kolegů se můžete hodně naučit. nepravidelné interní semináře na různé téma hlavní komunikační médium je WIKI a file server pravidelné schůzky týmů 23
Okruhy témat kinematika a dynamika aplikace pro konkrétní problémy, práce v SimMechanics,... práce na projektu car4 (viz dále) výukové laboratorní modely výroba, řízení, identifikace a modelování, vylepšování algoritmů,... identifikace systému z naměřených dat aplikace, práce s reálnými systémy a v Simulinku, programování,... HIL simulace aplikace, vývoj modelů, vývoj elektroniky Využití LabVIEW pro měření a řízení další... 24
Projekt Car4 stručné představení 1/2 experimentální vozidlo se všemi řízenými a poháněnými koly vysoká jízdní dynamika (zrychlení, rychlost) Inerciální jednotka Řídící jednotky náprav + palubní PC Nezávislý pohon i natáčení každého kola Několik dostupných senzorů pro orientaci v prostoru 25
Projekt Car4 stručné představení 2/2 Vybavení vozidla sensorikou CÍL = samostatná jízda stereovizní kamery, Xtion(Kinect), IMU, ultrazvukové parkovací sensory z Octavie, laserový skener Na projektu momentálně pracují 3 studenti 5.r. Možnost zapojit se do aktivního a inspirativního týmu! 26
3.3. Konkrétní témata prací
BP, DP: Řízení (hotového) laboratorního modelu řízení pomocí PID (bez modelu) modelování model odhad parametrů na základě experimentu řízení pomocí modelu různé metody možné úpravy modelu elektronika mechanika sensorika aplikace některé z pokročilých metod řízení Individuální práce Reálné zařízení Různý rozsah a obtížnost BP/DP 28
DP, BP: Experimentální vozidlo car4 pokračování v projektu 4 řízená kola, 4 hnaná kola řídicí elektronika na bázi dspic (programování ze Simulinku) několik realizovaných BP a DP prací Další cíle využití laserového skeneru využití sensoru Kinect ultrazvukové snímače vzdálenosti kamery kinematika (např. parkovací asistent )... Pozn.: práce v týmu Práce v týmu Reálné atraktivní zařízení Několik různě obtížných témat 29
BP: Dálkové ovládání pro Car4 (projekt Car4) Cílem je naprogramovat řídící jednotku dálkového ovládání v Matlabu, s pomocí Stateflow Různé varianty ovládacích prvků, včetně IMU Vytvoření menu a zobrazení informací ze senzorů na display 30
BP, DP: Orientace v prostoru pomocí stereovize (projekt Car4) Cílem je získání hloubkové mapy a detekce objektů/překážek Využití Computer Vision Toolboxu v Matlabu 31
BP: Parkovací asistent (projekt Car4) Cílem je sestavit algoritmus parkování s využitím již hotové řídící jednotky k ultrazvukovým senzorům 32
DP: Výroba vlastního C modulu pro NI HW Je k dispozici CompactRIO Module Development Kit: Technical support from National Instruments for your initial module development Starter set of assorted module housings and connectors CompactRIO module development software License to develop and manufacture CompactRIO modules Development of custom CompactRIO I/O modules for unique I/O requirements CompactRIO Module Development Kit user manual Cílem práce je vyvinout vlastní C modul, který bude programovatelný z prostředí LabVIEW Funkce (I/O) modulu po domluvě. (Například pouze DIO, RS232, pro schopnější HIL simulátor tenzometrů, ) 33
BP: Návrh a výroba výukové modelu do vitríny ÚMTMB v 7.p. Cíle práce: Vybrat komponenty a zajistit výrobu vybraného modelu (pravděpodobně inverzní kyvadlo nebo rotační inv. kyvadlo). Dle dodaných materiálů (hotové BP a DP, hotové modely v laboratoři) oživit při připojení na PC s kartou MF624. Pomocí autom. gen. kódu ze Simulinku naprogramovat dspic. Vytvořit ovládací rozhraní pro spouštění modelu ve vitríně (? tlačítka,?dotyk. displej,...?).
BP, DP: Odhad parametrů modelů v Simulinku s využitím naměřených dat Simulink má k dispozici nástroj Simulink Parameter Estimation. Tento nástroj má řadu nedostatků. Cílem práce je vytvořit nový vlastní nástroj pro odhad parametrů. Práce bude spočívat v: Programování v Matlabu Měření dat na reálných soustavách Odhad parametrů a zhodnocení výsledků. Požadavky na studenta: zájem, motivace schopnost naučit se pracovat s Matlabem a Simulinkem
DP: Bezsensorové polohové řízení solenoidu solenoid je v řadě oblastí používaný jako aktuátor v některých případech je požadováno přesné řízení polohy (nikoli pouze zapnuto-vypnuto) algoritmus bezsensorového řízení získává informaci o poloze na základě měření indukčnosti cívky (která se mění s vysunutím jádra) experimentální část práce bude prováděna na zařízení dspace Zdroje: článek Renn: Sensorless Plunger Position Control for a Switching Solenoid, 2004 disertace Eyabi 2003 36
DP: Simulátor jízdní dynamiky vozidla dynamický model vozidla model pneumatiky dynamika podvozku možnost běhu simulačního modelu na dspace vrml vizualizace podpora v Simulinku řízení pomocí joysticku podpora v Simulinku Vhodné pro zájemce o modelování v Simulinku. Možná vazba na projekt Experimentální vozidlo. Náročnější téma.
DP: Testování nádržových modulů náklonem Předmětem DP je vývoj a testování řídicího systému pro Testovací stand pro nádržové moduly. Práce je zaměřena na konkrétní zakázku firmy BOSCH České Budějovice. Diplomant: Tomáš Spáčil 38
BP, DP: Optimalizace rozměrů mechanismu pro dosažení požadované trajektorie Příklad: na obrázcích jsou různé aplikace tzv. čtyřčlenného mechanismu. Různým nastavením rozměrů lze dosáhnout různé trajektorie koncového členu. Cílem práce je: využít dodanou optimalizační metodu (genetický algoritmus, metody v Matlabu,...) pro automatické hledání optimálních rozměrů mechanismu pro definovanou požadovanou trajektorii. Požadavky na studenta: základní znalost kinematiky zájem, motivace schopnost naučit se pracovat s Matlabem a Simulinkem 39
BP, DP: Čtyřnohý robot Jaromír V robotu je nyní nová generace řídicí elektroniky - mikrokontroléry dspic programování ze Simulinku (generování C kódu) řízení 12-ti serv, sensorika Cíle práce: vytvořit sensor síly v došlapu (různé možnosti..) navrhnout a realizovat jednoduché způsoby chůze. Další možnosti...
BP, DP: HIL simulace DC motoru Hardware-in-the-loop simulace je aktuálním průmyslovým standardem (vývoj elektroniky pro automobily) Obsah práce: studium problematiky HIL studium práce s dspace použití existujícího simulačního modelu motoru použití vývojového kitu dspic jako řídicí jednotky testování práce je prováděna ve spolupráci s firmou Bosch Č.B. (motivace: modelování palivové pumpy) Požadavky na studenta: naučit se Simulink a související problematiku 41
BP, DP: Řídicí jednotka pro nelineární aktuátor škrticí klapka přívodu vzduchu do motoru = silně nelineární systém řízení = PID + nelineární kompenzace pružiny a tření Cílem práce je: zopakovat experimenty prováděné v r. 2008-2011 navrhnout algoritmus pro automatický odhad tření a charakteru pružiny implementovat řízení do PICu (programování ze Simulinku). Zdroje mnoho článků hotové řídicí modely v Simulinku pro dspace
BP: Řízení otvírání okna osob. automobilu Cílem práce je návrh řídicí jednotky pro elektrické otevírání dveří os. automobilu pomocí nástrojů automatického generování C kódu ze Simulinku reálné dveře jsou připraveny v laboratoři výkonová elektronika je vyrobena 43
DP: Bezpečný řídicí SW pro balancující vozidlo Keywatko III. aka Hummer Vznik 2011 (3x DP Zouhar, Štěpánek, Horák) Řídicí jednotka PIC programována pomocí autom. generovaného kódu ze Simulinku. Sensory: 2x gyro, acc, potenciometry Cíle další práce: zvýšení bezpečnosti pomocí zdvojení sensorů algoritmy pro diagnostiku chyb (elektroniky, sensorů) Zdroje: kniha Isermann: Fault-Diagnosis Systems práce M. Josza (student) články Isermann a další
BP, DP: Analyzátor sběrnic (aplikace v automobilech) Naprogramování HW (v LabView) pro monitorování průmyslových sběrnic a dekódování komunikace (UART, SPI, I2C, CAN...) rozsah je na domluvě a podle typu práce (BP/DP). Požadavky / motivace: naučení se práce s LabView, data acquisiton, seznámení se s průmyslovými sběrnicemi. Základy programování Základní znalosti o elektronice Schopnost samostatné práce Aktivní přístup Vazba na projekty, které řešíme pro ŠKODA Auto a BOSCH České Budějovice 45
4. Organizace výběru témat 46
Další postup pro 3.r. Pro 3.r.??.10.2014 - deadline pro vložení a schválení Předběžných zadání.??.11.2014 - přidělení Předběžných zadání studentům.??.11.2014 - přidělení Zadání studentům. Máme tedy?? týdnů. Co Studenti si vyberou zadání. Interní diskuse v Mechlab týmu přidělení priorit a vedoucích prací. Deadline??? 9.10.??? 23.10. Studenti dostanou zdroje (články, odkazy) a úkoly (prostudovat, připravit rešerši,...) Zhodnocení výsledků, interní diskuse. Specifikace finálního zadání. Oficiální předělení zadání.??? 17.11.??? 21.11. 47
Další postup pro 3.r. : Studenti si vyberou zadání Pošlete mailem: a) 1-3 zadání, která byste chtěli dělat (podle priority) b) proč vás to zaujalo? c) stručný popis toho, co umíte (znalosti a zkušenosti v oblasti mechatroniky mimo obsah povinných předmětů). DEADLINE:??? 9.10. http://goo.gl/gmdirp /pro-studenty http://mechlab.fme.vutbr.cz/pro-studenty/ 48
Další postup pro 2. a 3.r. přednášky, školení mimo vyučované předměty Matlab/Simulink Práce s I/O kartou MF624. Programování dspic pomocí autom. generování kódu ze Simulinku. Úvod do programování v prostředí LabVIEW. Pájení (Ing. Starý, FEKT). 2.r.: menší samostatné úkoly směřující ke zvládnutí technologií (nástrojů) používaných v laboratoři 3.r.: okamžité zahájení práce na bakalářce 49
Kontakt: doc. Ing. Robert Grepl, Ph.D. grepl@fme.vutbr.cz Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics Faculty of Mechanical Engineering Brno University of Technology