Titelaufnahme

Titel
Entwicklung eines neuen Verfahrens zur iterativen Ermittlung der optimalen PID-Werte eines 3-Achsen Gimbal für den Einsatz professioneller Kameras
Weitere Titel
Development of a new method for determining the optimal PID values ​​of a 3-axis gimbal for use with professional cameras
AutorInnenSchiener, Julian
GutachterKlamert, Victor
Erschienen2018
Datum der AbgabeAugust 2018
SpracheDeutsch
DokumenttypBachelorarbeit
Schlagwörter (DE)PID-Werte / Gimbal
Schlagwörter (EN)PID values / Gimbal
Zugriffsbeschränkung
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem unter Zuhilfen-ahme einer speziellen Vorrichtung iterativ die optimalen PID-Werte eines 3-Achsen Kame-ragimbals ermittelt werden können.

Ein Gimbal ist ein Gerät, welches dazu verwendet wird, Objekte wie Kameras zu stabilisie-ren. Die so entstehenden Aufnahmen sind in ihrer Qualität um ein Vielfaches besser, als jene, ohne Stabilisierung durch das Gimbal.

Die Motoren der drei Achsen werden dabei über einen eigenen PID-Regler angesteuert, wobei die Qualität des Regelverhaltens primär von passend gewählten Werten für die P-, I- und D-Anteile abhängt.

Das Finden der optimalen PID-Werte gestaltet sich in der Praxis jedoch oftmals als sehr schwierig und basiert häufig nach der heuristischen Methode Versuch und Irrtum (Trial-and-Error).

Bestehende Auto-Tuning-Methoden können Näherungswerte liefern, sind aber meisten unzureichend oder liefern gar unbrauchbare Werte. Auch Tabellen, aus denen die korrek-ten P-, I- und D-Werte der Achsen entnommen werden können, existieren nicht.

Der Prozess der P-, I- und D-Wertefindung soll durch das Entwickeln einer reproduzierba-ren Methodik nicht nur verbessert, sondern auch vereinfacht werden.

Bei dem neuartigen Verfahren werden im ersten Schritt die tolerierten Winkelabweichungen in Abhängigkeit der Parameter von Sensor und Objektiv errechnet.

Danach werden die Kräfte (Spannungen) ermittelt, mit der die Motoren anzusteuern sind, vor dem Hintergrund, diese auf ein vernünftiges Mindestmaß zu reduzieren, um Überhit-zung zu vermeiden und die Laufzeit zu optimieren.

Zum Schluss erfolgt die iterative Bestimmung der eigentlichen PID-Werte, indem diese jeweils in ein bestimmtes Verhältnis zueinander gesetzt werden und untersucht wird, wel-che Auswirkungen die Veränderungen auf das Regelverhalten haben.

Eine am Trägerrahmen montierte Schwenkvorrichtung erlaubt es, Auslenkungen der Pitch-Achse mit variabler Frequenz und Amplitude zu simulieren, um so die Auswirkungen ver-änderter PID-Werte unter konstanten Bedingungen beobachten zu können.

Die optimalen PID-Werte der Roll- bzw. Yaw-Achse werden durch Auslenkungen per Hand ermittelt, da die Konstruktion entsprechender Vorrichtungen für diese beiden Achsen den Rahmen dieser Arbeit sprengen würde.

Zusammenfassung (Englisch)

In the present work, a method is presented which, with the aid of a special device, iterative-ly determines the optimal PID values of a 3-axis camera gimbal.

A gimbal is a tool that is used to stabilize objects such as cameras. The resulting record-ings are many times better in quality than those without stabilization by the gimbal.

The motors of the three axes are controlled by their own PID controller, whereby the quality of the control behavior depends primarily on suitably chosen values for the P, I and D com-ponents.

However, finding optimal PID values is often very difficult in practice and is often based on the heuristic trial and error method.

Existing auto-tuning methods can provide approximate values but are most inadequate or even deliver useless values. Even tables from which the correct P, I and D values of the axes can be taken do not exist.

The process of finding P, I and D values should not only be improved but also simplified by developing a reproducible methodology.

In the novel method, the toleranced angular deviations are calculated as a function of the parameters of sensor and lens in the first step.

After that, the forces (voltages) with which the motors are to be controlled are determined against the background of reducing them to a reasonable minimum in order to avoid over-heating and to optimize the running time.

Finally, the iterative determination of the actual PID values takes place, in each case plac-ing them in a specific relationship to one another and examining the effects of the changes on the control behavior.

A swivel fixture mounted on the carrier frame allows the pitch axis to be simulated with var-iable frequency and amplitude to observe the effects of changing PID values under con-stant conditions.

The optimal PID values of the roll or yaw axis are determined by hand deflections, as the design of corresponding devices for these two axes would go beyond the scope of this work.