Entwicklung und dem Aufbau eines Ball-Balancierers
| Autor: | Alialssjad Ghazy Shokor |
| Art: | PS |
| Studiengang: | WNG |
| Starttermin: | 02.11.2026 |
| Abgabetermin: | ??.??.2027 |
| Betreuer: | Prof. Dr.-Ing. Schneider |
| SVN-URL: | TBD |
Einleitung
Das angestrebte System ist ein 3 DOF Ball Balancing Robot, der mittels dreier Servomotoren, die um jeweils 120° zueinander stehen, einen Ball im Zentrum einer durchsichtigen Plattform balanciert. Der Sensor für das Regelungssystem soll eine Kamera sein, die in z-Richtung einen definierten Bereich der Platte beobachtet, in dem sich der Ball bewegt und diesen darin aktiv steuert. Das Ziel ist, dass die Kugel aus jeder Richtung und mit nennenswerter Geschwindigkeit auf die Plattform trifft und das System den Ball so stark stabilisiert, dass er unmöglich die Plattform verlassen kann. Die Stabilisierung erfolgt durch die Bewegung der Plattform durch die vorhin genannten Servomotoren.
Anforderungen
| Req. | Beschreibung | Priorität |
|---|---|---|
| 1 | Das System muss einen Ball auf einer Plattform auffangen und stabilisieren können, über eine definierte Zeit t (t = 30 Sekunden). | 1 |
| 2 | Die Plattform muss über 3 Servomotoren in einem 120°-Winkel zueinander stehen. | 1 |
| 3 | Eine Kamera muss die Position des Balls (x, y) in Echtzeit erfassen. | 1 |
| 4 | Die Bildverarbeitung muss auf einem Arduino Uno Q mit Python/OpenCV implementiert werden. | 1 |
| 5 | Die inverse Kinematik muss die Motorwinkel aus der gewünschten Plattformneigung berechnen. | 1 |
| 6 | Ein PID-Regler (geschlossener Kreis) muss die Motoren ansteuern, um den Ball in der Mitte zu halten. | 1 |
| 7 | Die Regelung muss in Echtzeit auf dem Mikrocontroller laufen. | 1 |
| 8 | Die Kommunikation zwischen Kamera und Mikrocontroller muss über eine serielle Schnittstelle (z.B. USB) erfolgen. | 2 |
| 9 | Das System muss einen Aus-Schalter besitzen. | 2 |
| 10 | Die Ergebnisse müssen im HSHL-Wiki dokumentiert werden. | 3 |
Aufgabenstellung
- Einarbeitung und Systemanalyse
- Mechanischer Aufbau
- Elektrische Integration
- Ansteuerung der Servomotoren
- Kamerabasierte Objekterkennung
- Kalibrierung und Messdatenauswertung
- Kinematische Modellierung
- Entwicklung der Regelung
- Experimentelle Untersuchung und Optimierung
- Dokumentation und Demonstration im HSHL-Wiki
https://www.youtube.com/watch?v=l92hJUUjWb0
Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Anforderungen an das System 3. Technischer Systementwurf
1. Einleitung
2. Anforderungen an das System
Tabelle 1: Anforderungen an den 3-RRS Ball-Balancing-Roboter
| Req. | Beschreibung | Priorität |
|---|---|---|
| 1 | Das System muss einen Ball auf einer Plattform auffangen und stabilisieren können über eine definierte Zeit t (t = 30 Sekunden). | 1 |
| 2 | Die Plattform muss über 3 Servomotoren in einem 120°-Winkel zueinander stehen. | 1 |
| 3 | Eine Kamera muss die Position des Balls (x, y) in Echtzeit erfassen. | 1 |
| 4 | Die Bildverarbeitung muss auf einem Arduino Uno Q mit Python/OpenCV implementiert werden. | 1 |
| 5 | Die inverse Kinematik muss die Motorwinkel aus der gewünschten Plattformneigung berechnen. | 1 |
| 6 | Ein PID-Regler (geschlossener Kreis) muss die Motoren ansteuern, um den Ball in der Mitte zu halten. | 1 |
| 7 | Die Regelung muss in Echtzeit auf dem Mikrocontroller laufen. | 1 |
| 8 | Die Kommunikation zwischen Kamera und Mikrocontroller muss über eine serielle Schnittstelle (z.B. USB) erfolgen. | 2 |
| 9 | Das System muss einen Aus-Schalter besitzen. | 2 |
| 10 | Die Ergebnisse müssen im HSHL-Wiki dokumentiert werden. | 3 |
| Req. | Beschreibung | Priorität |
|---|---|---|
| KW 45 | 02.-07.11 | 1. Anforderungsliste und BOM erstellen
2. Skizze fertigen 2. Stückliste erstellen und idealerweise bestellen 3. CAD-Modell anfangen |
| KW 46 | 09.-15.11 |
1. Simulink anfangen |
| KW 47 | 16.-22.11 | 1. Code-Skeleton anlegen
2. CAD beenden |
| KW 48 | 23.-29.11 | Simulation durchführen und beenden
2. Testdruck gemacht |
| KW 49 | 30.11-06.12 | 1. Bestellung nach Erhalt prüfen
2. Prototyp 1 drucken 3. Smoke-Test |
| KW 50 | 07.-13.12 | |
| KW 51 | 14.-20.12 | |
| KW 52 | 21.-27.12 | 1 |
| KW 53 | 28.12-03.01 | 2 |
| KW 1 | 04.-10.01 | 2 |
| KW 2 | 11.-17.01 | 2 |
| KW 3 | 18.-24.01 | 3 |
| KW 4 | 25.-31.01 | 2 |
| KW 5 | 01.-07.02 | 2 |
| KW 6 | 08.-14.02 | 3 |
| KW 7 | 15.-21.02 | Korrektur und Abgabe des Praktikumsberichts |
Was ich tun muss: 1. das Gehäuse designen 2. Einkaufsliste 3. bestellen 4. 3 d drucken 5. Simulation machen 6. alles zusammenbauen 7. code schreiben 8. testen bis es perfekt ist (tunen)
Technischer Systementwurf
Anhänge
A Vorausssetzungen
Das Projekt erfordert Vorwissen in einigen, aber nicht allen nachfolgenden Themengebieten. Sollten Sie die Anforderungen nicht erfüllen, kann die Aufgabenstellung mit Blick auf Ihre Vorkenntnisse individuell angepasst werden.
- Modellbau (z. B. Holz-, Metallverarbeitung, CAD, 3D-Druck)
- Kreativität (z. B. Storytelling, Spielidee, Design des Abenteuer-Moduls)
- Spaß am Bau eines mechatronischen Abenteuer-Moduls
- Dokumentenversionierung mit SVN
- Dokumentation mit Word und im HSHL-Wiki.
B Anforderungen an die wissenschaftliche Arbeit
- Wissenschaftliche Vorgehensweise (Projektplan, etc.), nützlicher Artikel: Gantt Diagramm erstellen
- Wöchentlicher Fortschrittsbericht (informativ), aktualisieren Sie das Besprechungsprotokoll - Live Gespräch mit Prof. Schneider
- Projektvorstellung im Wiki
- Tägliche Sicherung der Arbeitsergebnisse in SVN
- Tägliche Dokumentation der geleisteten Arbeitsstunden
- Studentische Arbeiten bei Prof. Schneider
- Praxissemester
- Anforderungen an eine wissenschaftliche Arbeit
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