Biomedizinische Informatik und Mechatronik

Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik

Versuchsstände

Für die Forschungsarbeit und zur Lehre stehen dem Institut verschiedene Versuchsstände für die unterschiedlichen Forschungs- und Lehrbereiche zum Testen sowie zur Validierung entwickelter Algorithmen aber auch zur Veranschaulichung  zur Verfügung. 

Energiesysteme

Das lange Rohr wurde im Zuge des Projektes MoReNe zur Validierung des entwickelten dPDE-Modellansatzes für Rohre als auch zum Testen von Steuerungs- und Identifikationsalgorithmen aufgebaut. Weiterhin wird das lange Rohr im Folgeprojekt MoRSE zum Testen von verteilten Beobachter- und Regelmethoden sowie zu Diagnose eingesetzt. 

Im Zuge des Projektes INNUIT stand die Regelung des Motorkühlkreises im Mittelpunkt. Zum vorgelagerten Test der entwickelten Regelungs- und Beobachtungsmethoden wurde eine skalierte Version als Prüfstand mit einer vergleichbaren realen Steuerung innerhalb einer Bachelorarbeit aufgebaut. Im Zuge von INNUIT und des Nachfolgeprojektes MoReNe sind kontinuierlich Erweiterungen ind Hard- und Software vorgenommen worden um eine bestmögliche Abbildung der Realität zu erhalten und neuartige Ansätze zu testen. Im Zuge der Projekte wurde eine Kopplung mit der katalytischen Zelle über einen Wärmetauscher vorgenommen. 

Für die im Projekt MoReNe fokusierte Regelung eines Abgasnachbehandlungsystems wurde für die thermische Validierung dieser Versuchsstand im Rahmen einer Bachelorarbeit aufgebaut. Basierend auf einer von INNIO Jenbacher GmbH & Co OG bereitgestellten katalytischen Zelle wurde eine skalierte Version eines Katalysators mit seinen thermischen Massen konzipiert und derart mit Sensorik ausgestatten um eine 3D/1D Validierung des thermsichen Verhaltens sowie eine Validierung verschiedener Beobachteransätze durchführen zu können. Im Zuge des Projektes ist eine Kopplung zum Kühlkreislaufversuchsstand mittels eines Wärmetauschers vorgenommen worden. 

Mobile Roboter

Das Anhängersystem mit beliebig vielen Anhängern stellt eine Anwendung zur Erprobung neuer nichtlinearer Regelungsansätze dar. Der Hauptfokus dieser Arbeite liegt dabei auf der Stabilisierung und der Trajektorienfolgeregelung für die Rückwärtsfahrt. Darüber hinaus werden auf der Plattform nichtholonome Pfadplanungsalgorithmen getestet. Diese Algorithmen sollen das selbständige Rangieren der betrachteten Systeme in komplexen Umgebungen ermöglichen. Eine erste Version des Versuchsstandes mit zwei möglichen Anhängern wurde ursprünglich am Institut für Regelungs- und Steuerungstheorie der TU Dresden entwickelt. Darauf aufbauend wurde an der UMIT ein erweitertes System mit leistungsfähigerer Hardware und einer größeren Anzahl an  möglichen Anhängern entwickelt.

Selbstbalancierende mobile Fahrzeuge sind insbesondere durch das kommerziell erfolgreiche Segway bekannt geworden. Derartige selbstbalancierende einachsige Roboter stellen einen Standardversuchsaufbau für ein inverses bewegtes Pendel dar. Das am IACE verwendete System, das ursprünglich am Institut für Regelungs- und Steuerungstheorie der TU Dresden entwickelt wurde, findet neben dem Einsatz in der Lehre auch Verwendung bei der Entwicklung von Pfadplanungsansätzen. 

Ein inverses Pendel balanciert seinen Schwerpunkt oberhalb der Drehachse in einer instabilen Ruhelage. Die Stabilisierung dieser Ruhelage erfolgt mittels eines Antriebs, welchem Energie zugeführt werden muss. Wichtig dabei ist, die Position des Pendels zu messen und so den Antrieb richtig ansteuern zu können. Das Konzept des inversen Pendels findet beispielsweise Anwendung in der Fortbewegung, bei einem Segway oder einem Einrad, aber auch bei Raketen.

Das inverse (Einfach-)Pendel auf einem Wagen ist ein beliebter Versuchsaufbau in der Regelungstechnik. Dreht man den Stab so, dass er aufrecht auf dem Wagen steht und lässt los, so fällt der Stab um. Mittels eines Reglers kann man den Wagen so steuern, dass der Stab aufrecht in der instabilen Ruhelage stabilisiert wird. Beim inversen Dreifachpendel besteht der Pendelkörper nicht nur aus einem Stab sondern aus drei Stäben die über je ein Drehgelenk verbunden sind, diese gilt es nun ebenfalls aufrecht zu balancieren.

Im Zuge einer Kooperation wurde die mobile Roboterplatform MobRost aufgebaut. Als Basis dient das Chassis mit Akku sowie die Motoren der Rasenmähroboter iMOV der Firma Stihl. Am Institut wurde die eine Entwicklungsplatform entwickelt, die als Hauptsteuereinheit einen STM32 verwendet.
Im Zuge verschiedener Sommerpraktika sowie Masterarbeiten wurde und wird die Regelung von Einzelfahrzeugen aber von multiple Roboter innerhalb eines Verbundes, einem sogenannten Multiagentensystem, schwerpunktmäßig untersucht.
Zusätzlich dient die Platform zur Analyse verschiedener Kommunikationsplattformen sowie als Entwicklungsumgebung für die am Institut entwickelten Software Toolboxen.
Durch Ausstattung mit Ultraschallsensoren sowie einem Lidar-System werden Themen der Umgebungserfassung und darauf aufsetzenden Fahrtenplanung fokusiert.

Roboterregelung

Der Versuchsstand zur Analyse von Impedanzregelungsansätzen ist im Rahmen des Tiroler Wissenschaftsfond entstanden. Der Aufbau soll einen Bestückprozess abbilden, welcher auch als Thermo-Compression-Bonding bekannt ist. Ein Schmelzen der Lötkugeln kann am Versuchsstand durch das Einfahren eines Pneumatikzylinders, auf welchem die Kraft für den Lötprozess aufgebracht wird, imitiert werden.

Der Versuchsstand zur Analyse von Trajektorienplanungsalgorithmen bietet die Möglichkeit sowohl flachheitsbasierte Algorithmen als auch mathematisch optimierte Trajektorien mit aktuell in der Industrie verwendeten Verfahren zu vergleichen und entsprechende Referenzmessungen durchzuführen. Um den Effekt der Möglichkeiten zu verdeutlichen wurde auf einen steifen Aufbau verzichtet und das Flächenportal auf Blattfedern montiert. So können die im System stattfinden Schwingungen veranschaulicht werden und die Effizienz der Algorithmen ist mit freiem Auge erkennbar.

Beim 6R-Manipulator handelt es sich um einen seriellen Roboter mit sechs Freiheitsgraden der Firma Stäubli. Mittels uniVAL können über eine SPS die einzelnen Gelenkswinkel direkt vorgegeben werden. 
Der Roboter fand bereits bei zahlreichen Abschlussarbeiten zu den Themen Kinematik, Pfadplanung sowie Pick-and-Place Verwendung. Darüber hinaus findet der Roboter Anwendung im Forschungsbereich zu verteiltparameterischen Modellen. Der Schwerpunkt liegt auf der experimentellen Validierung einer 3D geplanten Trajektorie eines am Endeffektor befestigten Seils. 

Verteilt-parametrische Systeme

Ein Beispiel von Systemen mit örtlich verteilten Systemen stellen die Flachwasserwellen dar, welche mit diesem Versuchsstand untersucht werden können. Dazu wurde eine, mit einer Flüssigkeit befüllte, Röhre mit einem beweglichen Kolben ausgestattet, die eine Höhenänderung des Fluids möglich macht. In verschiedenen Abschlussarbeiten wurden flachheitsbasierte Steuerungsansätze, sowie nichtlineare Regelungs- und Beobachtermethoden untersucht. Außerdem stand die Modellierung und Simulation des nichtlinearen Systemes im Mittelpunkt.  

Lehre

Das Tanksystem wurde um Zuge des Sommerpraktikums aufgebaut und wird in der Lehre für die Veranstaltungen LaborIMW sowie AAT verwendet, da es sich um ein beliebtes Anwendungsbeispiel für regelungstechnische Algorithmen handelt. Initial wurden vier Zwei-Tank-Module aufgebaut, die einer steten Weiterentwicklung unterstehen. So können diese zu zwei Vier-Tank-Systemen umgebaut werden, auf denen modellbasierte Regler implementiert werden können. 

Die Untersuchung der Positionsregelung eines Schwebekörpers mittels eines einzustellenden Luftstroms ist innerhalb einer Bachelorarbeit aufgebaut worden. Die Bestimmung der Position erfolgt über einen am oberen Ende angebrachten Ultraschallsensor. 
Als zugängliches und sehr beliebtes Beispiel für ein nichtlineares System findet der Versuchsstand daher Anwendung in der Lehre für die Veranstaltung LaborIMW

Die vertikale Position einer frei schwebenden Stahlkugel wird durch gezieltes Ansteuern eines Elektromagneten geregelt. Dabei wird vor allem der Zusammenhang zwischen Stromstärke und Kraft des Elektromagneten mit theoretischen und experimentellen Methoden untersucht. Ein flachheitsbasierter Regler ermöglicht stabiles Schweben der Kugel und eine Trajektorienfolgeregelung. Der Versuchsaufbau wird in der Lehre im Rahmen des IMW-Ringlabors im Masterstudium Mechatronik eingesetzt. 

Ein inverses Pendel balanciert seinen Schwerpunkt oberhalb der Drehachse in einer instabilen Ruhelage. Die Stabilisierung dieser Ruhelage erfolgt mittels eines Antriebs, welchem Energie zugeführt werden muss. Wichtig dabei ist, die Position des Pendels zu messen und so den Antrieb richtig ansteuern zu können. Das Konzept des inversen Pendels findet beispielsweise Anwendung in der Fortbewegung, bei einem Segway oder einem Einrad, aber auch bei Raketen.

Bei einem Schwungradpendel wird das Schwungrad am freien Ende des Pendelkörpers drehbar gelagert. Zum Antrieb des Schwungradpendels wird ein Gleichstrommotor, ebenfalls am freien Ende, angebracht. Über das Drehmoment des Motors wird schließlich dem System Energie zugeführt.