Presentazione tesi di laurea triennale in Ingegneria dell'Informazione

1. Sviluppo di un sistema
per la stabilizzazione dinamica
di un processo intrinsecamente
instabile
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE
Dipartimento di Ingegneria e Architettura
Corso di Studi in Ingegneria dell’Informazione
Laureando:
Loppi Andrea
Relatore:
Prof. Marsi Stefano
Anno Accademico 2017 - 2018

2. Sistemi dinamici
Problematiche:
 Gestire le variazioni nel processo di stabilizzazione.
 Determinare la posizione dell’oggetto.
 Definire la posizione di equilibrio da raggiungere.
Controllo
automatico
Perturbazione del sistema instabilità
Obbiettivo:
Ricerca dell’equilibrio e processo di stabilizzazione
a fronte di perturbazioni esterne.

3. Butterfly Robot
Sistema particolarmente complesso
Funzionamento:
La struttura garantisce il movimento dinamico
di una pallina, la quale segue con un moto
continuo l’andamento delle piastre rimanendo
sempre in equilibrio e a contatto con esse.

4. Obbiettivo
Mantenere in equilibrio la pallina su due piastre di profilo lineare.Primo obbiettivo:
Secondo obbiettivo: Mantenere in equilibrio la pallina su due piastre circolari.
 Programma Tracking Color realizzato in MATLAB.
 Software in ambiente Arduino per il movimento del sistema.
 Algoritmo di stabilizzazione dell’equilibrio realizzato in MATLAB.
Step di sviluppo:

5. Struttura meccanica
Componenti:
 Piastre di profilo circolare separate da distanziali.
 Asta di metallo per il movimento.
 Ingranaggi 1:1 con cinghia di trasmissione.
 Motore passo-passo.
 Modulo H-Bridge L298N.
 Scheda Arduino.
 Webcam Built-In Pc.

6. Leggi fisiche
Studio teorico del piano inclinato
𝑚𝑔 sin(𝛽) − 𝐹𝑎𝑡𝑡 = 𝑚𝑎
𝛼 =
𝐹𝑎𝑡𝑡 𝑅
𝐼
𝑎 = 𝛼𝑅
Generalizzazione sul tipo di pallina:
𝐼 = 𝐾𝑚𝑅2
⟹ 𝐾 =
𝐼
𝑚𝑅2
𝑎 = 𝑔 sin 𝛽
1
1 + 𝐾
= 𝑎 = 2𝑔
ℎ
𝑙
1
1 + 𝐾
Accelerazione lineare della pallina lungo il piano:

7. Leggi fisiche
Studio teorico della pallina posta fra due guide
𝑟 = 𝑅2 −
𝑑
2
2
Modificazione del braccio della forza che genera il momento torcente
Conseguenze:
𝑎 = 𝑔 sin 𝛽
1
1 + 𝐾′
= 2𝑔
ℎ
𝑙
1
1 + 𝐾′
𝑲′
𝐫𝐞𝐠𝐨𝐥𝐚𝐛𝐢𝐥𝐞!
𝐾′
è legato alla distanza tra
le piastre

8. Leggi fisiche
Studio teorico del sistema con due piastre
circolari
𝑎 𝑝 = 𝑔 sin 𝛽 − 𝑎
1
1 + 𝐾′
𝑎 𝑝 = 𝑔 sin 𝛽 − 𝑎
1
1 + 𝐾′
+ 𝑎 = 𝑔 sin 𝛽
1
1 + 𝐾′
+ 𝑎
𝐾′
1 + 𝐾′
Modello semplificato:
 Moto puramente roto-traslatorio.
 Modellizzato come un piano inclinato che scivola al di sotto della pallina.
Osservatore NON inerziale
Osservatore inerziale

9. Tracking Color
Algoritmo realizzato in ambiente MATLAB.
Funzionamento:
 Selezione del range RGB da tracciare.
 Creazione maschera
 Operazioni di filtraggio morfologico.
 Calcolo centroide e scrittura coordinate spaziali.
Eseguito separatamente dal programma principale, nel quale
è presente in una sua forma ridotta.
Diminuito il periodo di campionamento.

10. Arduino
Algoritmo a cui è affidato il controllo del motore passo-passo.
Gestione della variazione di velocità delle piastre Accelerazioni
Funzionamento:
 Utilizzo della libreria AccelStepper.
 Ricezione dati dalla comunicazione seriale con il Pc.
 Riconoscimento ed elaborazione della stringa ricevuta: < Velocità >
 Aggiornamento della velocità delle piastre.

11. Controllore PID
Regolando in modo adeguato i parametri di guadagno Proporzionale, Integrativo e Derivativo
si è in grado di controllare il movimento della pallina.
Taratura:
Ziegler-Nichols Taratura
euristica
1. 𝐾 𝑃 𝑒 𝑡 proporzionale all’errore.
2. 𝐾𝐼 0
𝑡
𝑒 𝜏 𝑑𝜏 proporzionale all’integrale dell’errore.
3. 𝐾 𝐷
𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡
proporzionale alla derivata dell’errore.
L’uscita controllata viene generata in base al contributo di tre termini:

12. Stabilizzazione
Sviluppato in ambiente MATLAB.
Tracking color in versione ridotta, con range RGB inseriti dall’operatore:
Campionamento più fitto
che garantisce un miglior controllo
Funzionamento:
 Tracking Color.
 PID.
 Invio dati ad Arduino.

13. Simulazione
Rilevamento reale
Simulazione con errori
Simulazione ideale

14. Conclusioni
Il sistema si comporta nel modo previsto, garantendo il
mantenimento dell’equilibrio per un tempo prolungato ed una
buona risposta a fronte di lievi perturbazioni esterne.
Problematiche e miglioramenti:
 Vincolato al sistema operativo.
 Frame-rate webcam.
 Limiti dovuti alla struttura meccanica.
Si può ora proseguire lo studio ponendosi come obbiettivo
la realizzazione del Butterfly Robot

15. Grazie per l’attenzione