Diseño y Realización de un Prototipo de Vehículo Auto-Balanceado

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Clara San Segundo Reyes
hace 7 años
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1 Diseño y Realización de un Prototipo de Vehículo Auto-Balanceado V. Madero, J. A. Correa, F. Gordillo, F. Salas, J. Aracil Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Universidad de Sevilla 11 de Abril de 2011

2 Contenido

3 Contenido

4 Sistemas auto-balanceados: ampliamente extendidos y en creciente popularidad. Control y análisis de la cuenca de atracción: métodos lineales vs. no lineales. Vehículo tripulados vs. vehículos robóticos. Banco de prueba para leyes de control. Vehículo Auto-Balanceado (VAB) robótico.

5 Contenido

6 Contenido

7 Estructura de aluminio en forma de T invertida. Motores fijados a la estructura y con sus ejes alineados. Eje compartido entre péndulo y motores/ruedas. Ruedas desmontables. Distribución configurable de elementos sobre el chasis.

8 Contenido

9 (I) Placa µc MAVRIC-IIB: µc: ATmega128 Familia AVR R de 8 bits 128 KBytes de memoria flash programable Hasta 53 E/S digitales ADC de 8 canales Reloj interno de 16 MHz IMU: 3DM-GX1 de Microstrain R Codificador de 1024 ppv

10 (II) Motores DC RE-30 de MaxonMotor con reductora Controladora de motores a bajo nivel EPOS 24/5 de MaxonMotor Adaptador RS232-Bluetooth Baterías Li-Po

11 Contenido

12 TinyOS SO de código abierto para aplicaciones en sistemas embebidos. Dirigido a eventos y basado en componentes. Estructura jerárquica mediante módulos. NesC Meta-lenguaje de programación basado en C. Conjunto de tareas y procesos que colaboran entre sí (multi-hilo). Componentes: Se comunican mediante una interfaz. Implementan métodos definidos en la interfaz, para ejecución (comandos y tareas) o notificaciones (eventos). Programa principal Ejecución periódica del control (16 ms). Lectura de sensores y envío de actuación y datos de experimento. Compensación de fricción y medidas de seguridad. Comunicación con PC externo para configuración.

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Ecuaciones de Movimiento Ecuaciones de Movimiento para el Sistema definidas las variables de sistema: α θ + β ϕ cos θ γ sin θ = τ + k ϕ η ϕ + β θ cos θ β θ 2 sin θ = τ k ϕ θ: Ángulo de

14 Ecuaciones de Movimiento Ecuaciones de Movimiento para el Sistema definidas las variables de sistema: α θ + β ϕ cos θ γ sin θ = τ + k ϕ η ϕ + β θ cos θ β θ 2 sin θ = τ k ϕ θ: Ángulo de inclinación del péndulo. θ: Velocidad angular del péndulo. ϕ: Velocidad de giro del motor. τ: Par aplicado por el motor. con α, β, γ y η, constantes que dependen de los parámetros físicos del sistema

15 Ecuaciones de estado Variables de Estado x 1 = θ x 2 = θ x 3 = ϕ u = τ Linealización parcial: ( ) γ cos x1 αx2 2 β sin x1 u = + kx 3 + αη β2 cos 2 x 1 v α + β cos x 1 α + β cos x 1 Forzando α = η por construcción, con α = 2ml 2, η = ( 3 2 M r + m ) r 2, Ecuaciones de estado del sistema con linealización parcial ẋ 1 = x ( 2 ) γ + βx 2 ẋ 2 = 2 sin x1 v α + β cos x 1 ẋ 3 = v

16 Contenido

17 Ley No Lineal Método de Diseño Ley basada en Moldeo de Energía y Forwarding. Garantiza Estabilidad Asintótica en toda la región de trabajo. Ley de Control v = (ρ 1 + 1) ( ) γ + βx2 2 sin x1 + α + β cos x 1 2ρ 3 x 2 (α + β cos x 1 ) +ρ 2ρ1 2 donde ρ 1, ρ 2 y ρ 3 son constantes positivas de ajuste. (( ) ) x 2 + x 3 ρ 1

18 Contenido

19 Parámetros del VAB Parámetros del vehículo: Masa del péndulo: 3,75 kg Long. al centro de masas: 14,35 cm Mom. de inercia del péndulo: 0,201 kg m2 Radio de las ruedas: 25 cm Masa de las ruedas: 1,375 kg (cada una) Mom. de inercia de las ruedas: 0,0421 kg m2 Cte. de fricción del eje: 0,00215 Parámetros de ajuste: ρ1 = 2, 4 ρ2 = 0, 0421 ρ3 = 10, 2423

20 Resultados Estabilización

21 Resultados Perturbaciones

22 Contenido

23 Control LQR con cambio de referencia para x 3. Giro mediante reparto del par total aplicado. Interfaz WiiMote - Matlab R (WiiLab). Envío de referencias desde PC externo.

24 Gracias por su atención.

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