Dato: 11. december 2009
Varighed: 7 timer
Deltagere: Annette, Rasmus og Samuel
Mål
Færdiggøre undersøgelser af gyroskopet og lave et grafisk program til PC'en, der kan sende parametre til NXT enheden løbende over Bluetooth.
Fremgangsmåde
GUI program til Bluetooth kommunikation.
Da problemerne med kommunikation mellem PC og NXT blev løst i sidste projektaktivitet, er det nu kun nødvendigt at bestemme formatet af kommunikationen og lave den grafiske brugergrænseflade.
Undersøgelse af gyroskop
Gyrosensor
Til undersøgelserne af gyroskopet laves et LeJOS NXJ projekt som indeholder tre klasser, en testklasse, en GyroSensor klasse og en DataLogger klasse. Testklassen varierer afhængigt af om vi ønsker at læse fx vinkelhastighed eller vinkel, DataLogger klassen er skrevet af Ole Caprani, og opretter en .txt fil, hvortil man kan skrive integers.
GyroSensor klassen
Lejos har en GyroSensor klasse under lejos.nxt.addon som i constructoren tilknytter en medsendt port til sensoren, og i hvilken mode den skal fungere. Når sensoren holdes fast i en stilling returnerer den værdier der i vores tilfælde ligger på omkring 596, det er sensorens offset og kan sættes i GyroSensor klassen.
readValue() metoden i GyroSensor klassen læser den rå værdi fra porten (A/D converteren) med ADSensorport.readRawValue() metoden og som tidligere beskrevet returneres en værdi fra sensoren der svarer til grader/sekund. I readValue() metoden fratrækkes offset værdien så vinklen har nul som udgangspunkt.
getAngle metoden
Det er dog ikke vinkelhastigheden vi har brug for til vores projekt hvor robotten selv skal kunne balancere. Her har vi brug for en angivelse af position i stedet for. Derfor må vi tilføje en metode getAngle() der returnerer vinklen beregnet ud fra vinkelhastigheden. Beregningen udføres som vist i Figur 2.1.
Figur 2.1
Implementationen er som vist i Figur 2.2. Det er nødvendigt at kende tiden, så derfor kaldes metoden System.currentTimeMillis() som returnerer tiden i millisekunder siden NXT'en blev startet. Derefter beregnes dt som er den nye tid minus den gamle og efterfølgende beregnes den nuværende vinkel ud fra den gamle vinkel, sensorværdien og dt.
Figur 2.2
Nu er vi klar til at lave nogle forskellige undersøgelser, som først vil dreje sig om at finde ud af hvordan sensoren måler vinklen, og efterfølgende vil det dreje sig om drift, som vi ved er et problem med sensoren.
Undersøgelse 1: Vinkel
Den første undersøgelse skal vise om sensoren fungerer, som beskrevet af HiTechnic og om den tilføjede metode getAngle() returnerer vinklen som den skal. Det gælder altså her om at få en fornemmelse af hvordan sensoren fungerer. Offset angives i koden til at være 596.
Undersøgelse 2: Vinkelhastighed
Vinkelhastigheden undersøges, ved at bruge GyroSensor klassen med offset sat til 0. Sensoren fastgøres i en opstilling som vist på Figur 2.3 så den ikke bevæger sig. Værdierne fra sensoren burde så være stabile, men vil sandsynligvis stå at skifte lidt (drift).
Figur 2.3
Værdierne fra sensoren opsamles i en datafil der efterfølgende overføres til en PC og undersøges i Mathcad.
Undersøgelse 3: Vinkel
For at undersøge vinklen sættes offset til 596 da det er ca. der NXT’ens offset ligger. Det er den samme opstilling der bruges for at holde sensoren stille. Her bruges vores egen getAngle() metode til at returnere vinklen og igen burde værdierne være stabile fordi sensoren ikke bevæger sig. Værdierne opsamles også her i en datafil der undersøges i Mathcad.
Undersøgelse 4: Kompensation for drift
Da det ikke er et dyrt gyroskop må vi forvente at der kan forekomme drift. Det kommer til udtryk ved at der returneres en vinkelhastighed fra A/D konverteren selvom sensoren ikke bevæger sig. Offset ændrer sig altså en smule, som vi også så i undersøgelse 2. For at finde et nøjagtigt offset har vi derfor lavet en kalibreringsmetode, i klassen gyroSensor, som kaldes for at kalibrere offset. Metoden kalder readRawValue() metoden et antal gange og tager et gennemsnit af det antal samples den tager. For at få et mere nøjagtigt resultat bruger vi double-præcision.
Beregningen af offsettet sker ved at vi tager 50000 samples og tager gennemsnittet af disse samples. Dette gøres reelt to gange i træk.
Til at finde ud af om kompensationen har den ønskede virkning bruges den samme opstilling som i de to foregående undersøgelser. Ved hjælp af getAngle() metoden hentes værdier for vinklen som skrives til en datafil. Forventningen er så at driften vil være stærkt reduceret i forhold til de tidligere målinger.
Resultater
GUI program til Bluetooth kommunikation.
Overførsel af data:
Kommunikationen mellem PC og bluetooth enhed, foregår ved at der bliver sendt en stream af data. Der kan sendes bytes, Integers, Chars og andre typer, men der kan kun læses én ad gangen hos modtageren. Samtidig kan der kun sendes via én stream ad gangen, så alt data skal overføres via denne ene stream.
Da der skal sendes 3 forskellige parametre på vilkårlige tidspunkter, skal det besluttes hvordan disse data skal sendes og opfattes. Værdierne der skal modtages, skal i sidste ende være doubles, altså kommatal, som NXT'en bruger som parametre i sin PID kontrol. Der kan ikke sendes doubles over streamen, da der kun kan læses "enkelte tegn" i den anden ende.
For at kunne kende forskel på de forskellige parametre der sendes, sendes data som chars. Hvis der skal sendes en P parameter, sendes der et lille p, efterfulgt af de tal der er parametren: "p001". Dette betyder at der sendes 4 chars, for at få et tal på 3 tegn.
For at forstå de tegn der sendes over streamen, skal modtageren laves rigtigt. Da der i et tidligere SegWay projekt blev brugt PID regulering, med double værdier, bruges denne type også her. I det tidligere projekt, havde parametrene 2 decimaler, hvilket er grunden til at der i dette program sendes 3 chars.
Når Nxt programmet modtager de 4 chars fra PC programmet, tjekker den det første tegn og ser om det er et p, i eller d. Hvis ikke det er en af de tre, prøver den det næste tegn.
Hvis det er et af de tre tegn, sætter den de næste 3 chars i streamen, sammen til en string. Denne string bliver omfortolket til en integer. Denne integer bliver så lavet om til en double, og kommaet rykkes 2 pladser til venstre. For eksempel bliver strengen 001 til tallet 1 og strengen 101 til tallet 101. Derefter ganges dette tal med 0.01, så det i stedet bliver til et kommatal som følgende eksempler: (String - Int - Double)
(001 - 1 - 0.01), (101 - 101 - 1.01) og (021 - 21- 0.21).
Fordi der tjekkes på om det første tegn er p, i eller d, gemmes dette tal i den respektive variabel, som programmet så bruger til PID regulering.
Den grafiske brugergrænseflade:
Interfacet der skal bruges til at sende PID parametrene til NXT'en er ikke særligt kompleks. Der er 3 knapper, med tilsværende tekstfelter hvori tallene der skal sendes, skrives ind. Der laves også et større tekstområde, hvor der udskrives feedback på, om der sker fejl og om parametrene faktisk bliver sendt.
Den grafiske del er lavet ud fra et simpelt eksempel om JButtons i java, som er tilpasset til ovenstående formål. Derefter bliver der oprettet en instans af det program der står for kommunikationen med bluetooth enheden, "BTconnector" (som er indeholdt i samme fil). Hver gang der trykkes på en knap, tager programmet strengen i det tilhørende tekstfelt (og sætter hhv. p, i eller d foran) og sender videre til BTconnectoren. Derefter sendes strengen over den oprettede bluetooth forbindelse, som BTconnector sørger for at oprette.
Undersøgelse af gyroskop
Undersøgelse 1: Vinkel
Når sensoren holdes i en fast lodret position returneres en vinkel på 0 grader og når den vippes med uret returneres en positiv værdi for vinklen og mod uret en negativ værdi for vinklen. Selve udlæsningerne af vinklen ser også ud til at passe godt med det forventede, hvis udgangspunktet er at sensoren er i lodret position og den bliver roteret med uret til vandret position (efter øjemål) udlæses en værdi på 45 grader. Hvis man roterer videre med uret til lodret på hovedet udlæses 90 grader. Tilsvarende ser udlæsningerne ud til at passe hvis den roteres mod uret
Undersøgelse 2: Vinkelhastighed
Der er opsamlet værdier for vinkelhastigheden for sensoren når den er stationær og værdierne er plottet ind i grafer der kan ses i [2.1]. Der er lavet målinger over tre gange og de viser alle at vinkelhastigheden varierer mellem 694 og 696 og ved enkelte målinger helt ned til 593 og op til 598. Målingerne viser altså at der returneres en vinkelhastighed selvom sensoren er fikseret og derfor ikke bevæger sig. Testkoden kan ses under [2.2] VelocityDriftTest projektet.
Undersøgelse 3: Vinkel
Der er opsamlet værdier for vinklen af sensoren når sensoren er stationær og værdierne er plottet ind i grafer i [2.1]. Også her er der lavet målinger tre gange og de viser at ved et offset på 296, sker driften i negativ retning. Det er varierende hvor hurtigt det går, men det er en ret voldsom drift. Testkoden kan ses under [2.3] AngleDriftTest projektet.
Undersøgelse 4: Kompensation for drift
Der er lavet tre målinger på vinklen når der kompenseres for drift, en grafisk fremstilling kan ses i Mathcad dokumentet i [2.1]. Med offset kalibreret til 596.032426458401 fås en negativ drift, på to grader i løbet af lidt mere end 20000 samples hvilket er en stor forbedring hvis man sammenligner med målingerne hvor der ikke kompenseres.
Med offset kalibreret til 595.99829648078 fås en positiv drift på to grader i løbet af lidt mindre end 20000 samples. Den sidste kalibrering er på 595.976274831896 og giver en positiv drift på seks grader i løbet af lidt mindre end 20000 samples, men det er også en noget lavere offset værdi så det er forventet. Det rigtige offset må ligge mellem 596.032426458401 og 595.99829648078, da det ene giver negativ drift og det andet giver positiv drift. Testkoden kan ses under [2.4] DriftCompensation projektet.
Konklusion
Undersøgelserne af gyroskopet er afsluttet. Der er ret voldsom drift, men der kan kompenseres for det i en sådan grad, at vi håber at det ikke bliver et problem i det videre arbejde.
Vi synes vi har et godt udgangspunkt til at få robotten til at balancere nu hvor vi kan beregne en vinkel ud fra den målte vinkelhastighed fra sensoren og vi kan sende værdier vha. Bluetooth mellem en PC og NXT'en.
I projektaktivitet 3 skal GyroSensor klassen og bluetooth klassen kombineres i et program og vi begynder muligvis at kigge på PID reguleringen.
Referencer
Java eksempel GUI er bygget over: ButtonDemo.java
BTconnector uden GUI: BTconnector.java
Samlet GUI program: SegWayPcGUI.java (Indeholder også BTconnector)
BT klient program på Nxt: BluetoothUnit.java
[2.1] Drift Test: Drift.pdf
[2.2] VelocityDrift projektet: VelocityDrift.rar
[2.3] AngleDrift projektet: AngleDrift.rar
[2.4] DriftCompensation projektet: DriftCompensation.rar
Ingen kommentarer:
Send en kommentar