Projekt 57: Arduino Segway

Autoren: Philipp Tewes, Janis Ostermann
Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel

Segway Rumpf

Segway Gesamt

Das Projekt

Das Projekt wurde von Philipp Tewes und Janis Ostermann im Rahmen des Elektrotechnik Fachpraktikums im WS 2015/16 bearbeitet. Das Ziel sollte es sein ein Segway auf der Basis eines Arduino UNO's zu entwerfen, welches sich selbst balancieren sollte um somit ohne Hilfe stehen zu können. Bevor mit dem Bau und der Programmierung des Segways begonnen wurde, sollten erst einmal einige Ziele definiert werden. Zuerst sollte die Hardware des Segways geplanen werden. Dazu wurde eine Teileliste angefertigt. Nachdem alle benötigten Teile eingetroffen waren wurde mit dem Bau der einzelnen Etagen begonnen. Fortgesetzt wurde die Arbeit mit dem Bau der Steuerbox welche den Gyro Sensor und die Potentiometer enthalten sollte. Die Potentiometer sollten zur einfachen Regulierung der Reglparameter dienen.
Nachdem alle Einzelteile Fertiggestellt waren ging es um die Verkabelung der Komponenten. Nach Montage und der Verkabelung wurde das Segway anschließend durch Anbringung der Räder fertig gestellt.

Anschließend bestand die Aufgabe eine passende Software für die Reglung des Segways zu entwerfen und abzustimmen.

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Bau

Teile Liste

• 2x RC Reifen 1:8 (Durchmesser 10cm)
• 1x Bastelglas 25cm x 34cm
• 1x Holzstab 70cm x 1,2cm
• 1x Arduino Uno R3
• 1x Saint Smart Sensor Shield
• 2x Motor Drive L298N
• 1x Beschleunigungs und Gyro Sensor MPU-6050
• 2x Getriebemotor 12V DC MFA 919D1481 148:1
• 3x Potentiometer 10K
• 1x Ladegerät APC300
• 1x Akku-Pack PP2
• 2x Achskupplung (M5 auf M5)
• 2x Gummi Unterlegscheibe (Innendurchmesser 0,4cm Außendurchmesser 1,7cm)
• 7x Metall Unterlegscheibe (Innendurchmesser 0,8cm Außendurchmesser 2,3cm)
• 3x Metallschrauben M5 Länge 3cm
• 3x M5 Unterlegscheiben
• 1x M5 Mutter
• 1x M4 Gewindestange 1m
• 24x M4 Muttern
• 1x Tamya Stecker mit 5cm Kabel
• 18x M3 Schrauben (1,5cm) mit Muttern
• 4x Kleine Nägel
• 4x Kleine Schrauben

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Etagen

Beim Aufbau des Segways wurde sich für ein Konzept aus drei Etagen entschieden. Dabei dient Etage eins für die Befestigung des Holzstils mit der Kiste und dem Lenker. Etage zwei ist dabei die Etage an der die MotorShields, der Arduino UNO R3 und die Motoren verschraubt sind. Etage drei dienst dabei als Auflage für das Akku Pack. Beim Aufbau wurde darauf geachtet das der Schwerpunkt möglichst tief und unter der Fahrzeugachse liegt. Daher Befinden sich das Akku Pack und der Motor unter der Fahrzeugachse. Dadurch entsteht ein Pendel Effekt der das Segway stabilisiert.

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Etage 1

Technische Zeichnung der Ebene 1

• 3mm Bohrungen für M4 Gewindestandgen
• Langloch für die Bohrung eingeschnitten

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Etage 2

Technische Zeichnung der Ebene 2

• 3mm Bohrungen für M4 Gewindestangen
• 2mm Bohrungen für Motoren und Motor-Shield
• Rote Löcher für Motor-Shields, nur Außen Bemaßt. Innere Löcher können je nach Shield abweichen. Außen wurde gebohrt und dann Innen entsprechend angezeichnet
• Grüne Löcher für Motoren, nur Außen Bemaßt. Innere Löcher können je nach Motor abweichen. Außen wurde gebohrt und dann Innen entsprechend angezeichnet
• Die Löcher für die Befestigungen der elektrischen Bauteile wurden gesenkt
• Arduino nur zur Kannte bemaßt, mittig aufgesetzt und angezeichnet

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Etage 3

Technische Zeichnung der Ebene 3

• 3mm Bohrungen für M4 Gewindestandgen
• Gummi überziehen

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Steuerbox

Technische Zeichnung der Steuerbox

• 5mm Löcher in das Plexiglas für die Potentiometer gebohrt
• Potentiometer in das Plexiglas eingeschraubt. Über Gewinde am Potentiometer.
• Gyroskop an die mit 3mm Vorgeborten Löcher mit M3 Schrauben geschraubt und mit Mutter auf der Unterseite befestigt
• Platine Ebenfalls mit M3 Schrauben verschraubt und befestigt
• In die Unterseite ein 9mm Loch gebohrt um die Kabel rausführen zu können
• Zusätzlich wurde eine kleine Schaltung entworfen. Diese besitzt einen 10 nanofarad Keramik Kondensator (C1) zwischen Plus und Minus für die Entstörung. Ein weiterer 10 Mikrofarad Elektrolyt Kondensator (C2) ist dabei für eine Strom Speicherung für den Gyrosensor vorhanden. Denn der Gyrosensor benötigt eine sehr stabile Spannung um fehlerfreie Werte liefern zu können.

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Stiel und Querstange

Technische Zichnung des Stiels

• Holzstiel in zwei Stücke geschnitten, einmal 50,5cm und 14cm
• Den 14cm Stiel mittig in eine Stirnfläche des längeren Stiels verschrauben, mit M5 Schraube 3cm und M5 Unterlegscheibe (vorgebohrt)

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Montage

Begonnen wurde mit der Montage des Stiels, nach dem Vorbild der ersichtlichen Zeichnung. In diesem Schritt wurde gleich die Steuerbox befestigt. Dies wurde mit einer M5 Schraube in 3cm umgesetzt. Zusätzlich wurde die Verschraubung auf der Außenseite am Stil mit einer Unterlegscheibe versehen. Daraufhin wurden zunächst die Motoren an der Etage 2 befestigt. Dabei war zu beachten, dass zunächst alle schrauben in die zugehörigen löcher gesteckt werden mussten, da die Halterung der Motoren die Löcher daraufhin bedeckte. Danach wurden die restliche Hardware mit den M3 Schrauben befestigt. War dies geschehen wurden alle Etagen mit einem Abstand von 7cm mithilfe der M4 Gewindestangen verbunden. Die Etagen wurden dabei durch die M4 Muttern Positioniert und von der Gegenseite mit einer Weiteren M4 Mutter leicht fest geklemmt.

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Verkabelung

Schaltplan

Die Verkabelung wurde in Fritzing geplant und wie in der Abbildung umgesetzt, einzig das Sensor Shield stand dort nicht zur Verfügung. Dies stellt aber kein Problem bei der Planung der Verkabelung dar, denn auf dem Sensor Shield gibt es einen extra Anschluss für den Gyro Sensor. Bei den Motoren wurde dabei auf ein Kabel mit 0,5mm Querschnitt gesetzt, für die restlichen Kabel 0,25mm. Der Akku wurde dabei mit dem Tamya Stecker und 5cm Kabel in die Klemmen des Rechten Shields geklemmt. Von hier aus gehen noch 2 Kabel zum Linken Shield, um dieses Ebenfalls mit Spannung vom Akku zu versorgen. Die Kabel wurden von der Bohrung aus am Stil verlegt, an diesem wurden sie mit Kabelbinder befestigt.

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Reifen

Aufbau der Achse

Angeschliffene Achse

Weil es sich bei den Reifen um RC Reifen in der Größe 1:8 Handelt sind diese nicht für den Betrieb an den Getriebemotoren vorgesehen gewesen. Aus diesem Grund musste ein eigener Kleiner Adapter nach der Folgenden Abbildung zusammengebaut werden. Bei dieser Verbindung war auf besonders hohe Stabilität zu achten, denn sie bilden gleichzeitig die Achse. Die Schrauben wurden dabei noch an einer Stelle etwa 1mm mit einer Pfeile abgeflacht. So war eine Sicherung gegen verdrehen durch das Anfahrdrehmoment der Motoren sichergestellt. An den Motoren ist diese Abflachung bereits vorhanden.

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Software des Arduino UNO

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Programmcode

#include "Wire.h"
#include "SPI.h"  
#include "nRF24L01.h"
#include "I2Cdev.h"
#include "MPU6050.h"

// Variablen für das Accelometer und den Gyro
MPU6050 accelgyro;
int16_t ax, ay, az;
int16_t gx, gy, gz;

// Definitionen von Schlüsselwörtern
#define Gry_offset 300                   // Offset des Gyro
#define Gyro_Verstaerkung 0.00763358     // Verstärkung des Gyro Analog Signal
#define Winkel_offset -22                // Offset des Aktuellen Winkels 
#define Motor_offset 0                   // Motor Offset
#define pi 3.14159                       // Definition von der zahl pi

// Variablen für den PID Regler
float kp, ki, kd; 
float r_angle, f_angle, omega;

// Variablen für die Zeitberechnung
unsigned long preTime = 0;
float SampleTime = 0.08;
unsigned long lastTime;
float Output;
float errSum, dErr, error, lastErr;
int timeChange; 

// Definition der Ports mit Variable für Pinmode
//Reifen rechts
int TN1=8; //TN3=5;
int TN2=9; //TN4=6;
int ENA=5; //ENB=10;

//Reifen links
int TN3=11; //TN1=3;
int TN4=10; //TN2=4;
int ENB=6; //ENA=9;


int sensorPin0 = A0;    // Input Pin für das Potentiometer 0
int sensorPin1 = A1;    // Input Pin für das Potentiometer 1
int sensorPin2 = A2;    // Input Pin für das Potentiometer 2

int sensorValue1 = 0;   // Variable um den Wert des Potentiometer 0 zu speichern
int sensorValue0 = 0;   // Variable um den Wert des Potentiometer 1 zu speichern
int sensorValue2 = 0;   // Variable um den Wert des Potentiometer 2 zu speichern



void setup() {
  Wire.begin();             // Start serieller Kommunikation
  accelgyro.initialize();   // Initalisieren des Gyro/Accelometer
  pinMode(TN1,OUTPUT);      // Ausgänge zuweisen
  pinMode(TN2,OUTPUT);
  pinMode(TN3,OUTPUT);
  pinMode(TN4,OUTPUT);
  pinMode(ENA,OUTPUT);
  pinMode(ENB,OUTPUT);

  Serial.begin(115200);     // Serielle Bandrate 
}



void loop() 
{
  accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);  // Aktuellen wert des Gyro/Accelometer laden
  r_angle = (atan2(ay, az) * 180 / pi + Winkel_offset); // Aktueller Winkel (bei 0 Grad steht das Segway gerade)
  omega =  Gyro_Verstaerkung * (gx +  Gry_offset);  Serial.print("  omega="); Serial.println(omega);
  if (abs(r_angle)<45){ // Winkel kleiner als 45 Grad
    myPID(); // Berechnung der aktuelen PID Werte
    PWMControl(); // Ansteuern der Motoren mit aktuellen Werten
  }
  else{	// Wenn der winkel größer als 45 Grad wird soll angenommen werden, dass das Segway umgefallen ist und keine Bewegung mehr ausgeführt werden
    analogWrite(ENA, 0); // Motor A Bremsen
    analogWrite(ENB, 0); // Motor B Bremsen
  }
}


// PID Werte Berechnung
void myPID()
{
  
  kp = analogRead(A0)*0.1;  Serial.print("kp= ");Serial.print(kp);          //Einlesen des kp Wertes über Poti wählbar
  ki = analogRead(A1)*0.001;  Serial.print(" /// ki= ");Serial.print(ki);   //Einlesen des ki Wertes über Poti wählbar
  kd = analogRead(A2)*1.5;  Serial.print(" /// kd= ");Serial.println(kd);   //Einlesen des kd Wertes über Poti wählbar
  
  // Wahlweise können auch feste Werte genutzt werden
  //kp = 35;  Serial.print("  kp=");Serial.print(kp);
  //kd = 30;  Serial.print("  kd=");Serial.print(kd);
  //ki = 0;  Serial.print("  ki=");Serial.println(ki);
   
  unsigned long now = millis();         //aktuelle Zeit
  float dt = (now - preTime) / 1000.0;  //vergangene Zeit seit vor der letzten Berechnung
  preTime = now;                        //Zeit zu Beginn
  float K = 0.8;
  float A = K / (K + dt);
  f_angle = A * (f_angle + omega * dt) + (1 - A) * r_angle;  Serial.print("  f_angle=");Serial.println(f_angle);  //Winkel Berechnung
  
  timeChange = (now - lastTime);        //vergangene Zeit seit Beginn der letzten Berechnung
  if(timeChange >= SampleTime){
    error = f_angle; // Abweichung von 0 Grad
    errSum += error * timeChange;
    dErr = (error - lastErr) / timeChange;
    Output = kp * error + ki * errSum + kd * dErr;  Serial.print("  Output=");Serial.println(Output);
    lastErr = error;
    lastTime = now;                     //Zeitstempel nach Berechnung
  }
}

void PWMControl(){
  if(Output > 0){            //Vorwärts
    digitalWrite(TN1, HIGH);
    digitalWrite(TN2, LOW);
    digitalWrite(TN3, HIGH);
    digitalWrite(TN4, LOW);
  }
  else if(Output < 0){       //Rückwärts
    digitalWrite(TN1, LOW);
    digitalWrite(TN2, HIGH);
    digitalWrite(TN3, LOW);
    digitalWrite(TN4, HIGH);
  }
  else{                           //Bremse
    digitalWrite(TN1, HIGH);
    digitalWrite(TN2, HIGH);
    digitalWrite(TN3, HIGH);
    digitalWrite(TN4, HIGH);
  }

    analogWrite(ENA, min(255, abs(Output) + Motor_offset)); //Geschwindigkeit rechts
    analogWrite(ENB, min(255, abs(Output) + Motor_offset)); //Geschwindigkeit links
}

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Regler Auslegung

Die Abstimmung des Realisierten PID Reglers wurde damit wie aus der Vorlesung der Reglungstechnik bekannt, mit der Schwingungsmethode vorgenommen. Vorgegangen wurde dabei nach den folgenden fünf Schritten.

PID Reglerauslegung mit Schwingungsmethode Ziegler/Nichols

Vorgehen:

1. Parametrierung des Systems als reiner P‐Regler. Dabei wurden die Anteile Ki und Kd auf null gesetzt
2. Erhöhung der Regelverstärkung (Kp-Wert), bis Dauerschwingungen auftreten
3. Bestimmen der Regelverstärkung Kp krit, und der Periodendauer T krit
4. PID‐Reglerparameter aus der Tabelle des Einstellverfahrens ablesen. (siehe Tabelle)
5. Test des eingestellten Reglers

Entwurf des Reglers

Reglertypen
	Kp	Ki	Kd
P	0,5 Kp krit	-	-
PI	0,45 Kp krit	0,85 T krit	-
PID	0,6 Kp krit	0,5 T krit	0,12 T krit

Achtung: Es musste darauf geachtet werden, das das Segway beim überschwingen nicht umfällt und beschädigt wird!

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Fazit

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Erfüllte Ziele

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Offene Aufgaben

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