Modellierung und Stabilisierung einer 3-achsigen Plattform

Abstract

Die Stabilisierungsplattform ist ein Starrkörpersystem bestehend aus 4 Teilkörpern, die über aktuierte Drehgelenke miteinander verbunden sind. Ein Benutzer kann die Stabilisierungsplattform an einem dafür vorgesehenen Handgriff nehmen und im Raum frei bewegen. Egal in welcher Lage der Benutzer die Stabilisierungsplattform hält, soll einer der 4 Teilkörper, die sogenannte Platte, in einer vorgegebenen Orientierung stabil gehalten werden, indem die an den Drehgelenken angebrachten Aktoren die Körper in eine entsprechende Stellung bringen. Im Rahmen der Diplomarbeit wird eine Regelungsstrategie auf dem Prinzip der inversen Dynamik (Computed Torque) für die Ansteuerung der Aktoren erarbeitet. Außerdem wird die inverse Kinematik hergeleitet, die die Sollwinkel der Drehgelenke berechnet. Um die Bewegungen der Hand des Benutzers zu erfassen, ist am Handgriff der Stabilisierungsplattform ein Sensor mit integriertem Gyroskop, Beschleunigungssensor und Magnetfeldsensor vorgesehen. Eine Beobachterstrategie, die aus den Sensorwerten die Orientierung des Handgriffs ermittelt, wird vorgestellt und in einem Versuchsaufbau getestet. Zusätzlich wird eine Simulation mit einem vollständigen Modell der Stabilisierungsplattform, dem Regler, der inversen Kinematik und dem Beobachter implementiert.

The stabilization platform is a rigid multibody system consistig of four bodies, which are linked via actuated rotary joints. A user can take the stabilization platform on a provided handle and move freely in space. Regardless of attitude in which the user holds the stabilization platform one of the four bodies remains in a given orientation by actuating the rotary joints. Part of the thesis is a control strategy on the principles of inverse dynamics (computed torque), developed for controlling the actuators. Moreover the inverse kinematic is inferred that calculates the target angles of the rotary joints. To capture the movements of the user's hand a sensor on the handle is provided with integrated gyroscope, accelerometer and magnetic field sensor. An observer strategy that determines the orientation of the handle from the sensor values is introduced and tested in an experiment. In addition, a simulation is implemented with a complete model of the stabilization platform, the controller, inverse kinematics and the observer.