Development, assembly and implementation of a ball on ball control setup

Abstract

Bildgebende Messverfahren gewinnen in der Automatisierungstechnik zunehmend an Bedeutung. Ein bekanntes Beispiel sind autonome Fahrzeuge, die die Umgebung durch verschiedene optische Messmethoden wie z. B. Stereokameras wahrnehmen. Auch Industrieroboter, die mittels einer Kamera erkennen können, ob sich eine Person im Arbeitsbereich des Roboters aufhält, sind ein oft genannter Anwendungsfall. Da die notwendige Rechenleistung für Echtzeitbildverarbeitung heutzutage mit vertretbaren Kosten realisiert werden kann, eröffnen sich immer mehr Anwendungsgebiete für bildgebende Sensoren auch in der industriellen Automation. Um die Leistungsfähigkeit von kamerabasierten Messverfahren zu demonstrieren wird in dieser Masterarbeit ein Ball-on-Ball Versuchsaufbau entwickelt, simuliert und aufgebaut. Im Zuge der Arbeit wird ein Überblick über ähnliche und bereits realisierte Aufbauten gegeben, und auf den Stand der Technik näher eingegangen. Anschließend wird ein mathematisches Modell hergeleitet und das Systemverhalten durch Simulation untersucht. Die Regelung und Bildverarbeitung wird auf einer industriellen Standard-SPS durchgeführt. Ein weiteres Messverfahren mit Triangulationssensoren wird ebenfalls implementiert und die beiden Messmethoden in Hinsicht auf bleibende Regelabweichung und Störverhalten verglichen. Auch der Einfluss von verschiedenen Regelkonzepten und Abtastzeiten wird analysiert. Abschließend wird eine Trajektorienfolgeregelung für den oberen Ball implementiert.

Vision-based measurement methods are becoming increasingly important in automation technology. Well-known examples are autonomous vehicles that navigate through the environment using a variety of imaging sensors, or robots that detect if someone has entered the working area using a camera. Nowadays the needed computing power for real-time image processing is readily-available which opens up new possibilities to use vision-based measurement methods in industrial automation. In this thesis a Ball-on-Ball control setup with vision-based position measurement is designed, simulated and built to demonstrate the capabilities of imaging techniques. An overview over similar setups that are already realized is given, and theoretical works about this topic are discussed. Before the setup is implemented a nonlinear mathematical model of the whole setup is derived and simulations of the system behaviour are done. The control and the image processing is done on an industrial standard PLC. For comparison a second measurement method using laser distance sensors is also implemented. The residual error and the disturbance reaction of both measurement methods are analyzed and compared using different controllers and sample times. Finally a trajectory following for the upper ball is implemented.