Version vom 12. Oktober 2021, 12:50 Uhr

Autoren: Junjie Lyu
Betreuer: Prof. Schneider
Art: PA
Projektlaufzeit: 04/2021-04/2022

Abb. 1: Arduino Engineering Kit - Selbstfahrendes Motorad

Thema

Aufbau eines selbsfahrenden Motorades, welches sich selbst während der Fahrt ausbalanciert.

Ziel

Das Arduino Engineering Kit ermöglicht den Aufbau dreier regelungstechnischer Herausforderungen. In diesem Projekt soll ein selbstfahrendes Motorad gebaut und programmiert werden.

Aufgabenstellung

Einarbeitung in das Thema, auch aus regelungstechnischer Sicht
Identifikation des Regelstrecke
Sichtung und Test des bestehenden Bausatzes
Aufbau des Systems (ggf. Platinenfertigung, etc.)
Vergleichen und bewerten Sie verschiedene Regleransätze (P, PI, PID und andere).
Modellbasierte Programmierung der Hardware via Matlab und Simulink
Test des Segway
Dokumentation nach wissenschaftlichem Stand
Erstellung von Gefährdungsbeurteilung und Betriebsanweisung

Anforderung

Wissenschaftliche Vorgehensweise (Projektplan, etc.)
Wöchentliche Fortschrittsberichte (informativ)
Projektvorstellung im Wiki
Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.

Gantt - Chart

Bewertung des Bausatzes

Das Motorrad ist ein zweirädrig Roboter, der mit Hilfe einer rotierenden Scheibe (Trägheitsrad) das Gleichgewicht halten und sich bewegen kann, um zu kompensieren, wenn das Motorrad das Gleichgewicht verliert. Das Motorrad wird von einem Arduino MKR1000, dem Arduino MKR Motor Carrier, einem Gleichstrommotor zum Bewegen des Hinterrads, einem Encoder, einem Gleichstrommotor zum Steuern des Trägheitsrads, einer 6-Achsen-IMU, einem Standardservomotor zum Lenken des Motorradgriffs, einem Abstandssensor (Ultraschallsensor) und einem Drehzahlmesser (Hallsensor) gesteuert. Der Hardwareaufbau konnte mithilfe der Anweisung des Anleitungsvideos zusammengebaut werden. Das Kabel vom Gleichstrommotor zum Steuern des Trägheitsrads ist nicht lang genug. Versuchen Wir, durch das Innere des Motorrads zu führen, um dem Arduino MKR Motor Carrier anzuschließen. Der Akku rutscht leicht vom Motorkörper. Versuchen wir, mit einem Gummi den Akku mit Motorkörper befestigen.

Aufbau des Systems

Identifikation der Regelstrecke

Bild 4: Regelkreis des Motorrades.Junjie Lyu (Diskussion) 00:38, 12. Okt. 2021

Tabelle 1: Bedeutung dieser physikalischen Größe in Bild 3
physikalische Größe	Bedeutung
$\theta$	der Schräglagenwinkel $\theta$ ist 0 Grad , wenn das Motorrad vollkommen aufrecht steht, ist positiv, wenn das Motorrad von hinten gesehen gegen den Uhrzeigersinn geneigt ist, und negativ, wenn das Motorrad im Uhrzeigersinn geneigt ist.
$\phi$	die Rotationsverschiebung des Trägheitsrads relativ zum Rest des Motorrads ist $\phi$ , wobei eine positive Verschiebung als gegen den Uhrzeigersinn definiert ist.
$h_{cm}$	Die Höhe des Massenschwerpunkts über dem Boden bei aufrechtem Motorrad ( $\theta$ = 0) ist definiert als $h_{cm}$

Bewertung verschiedener Regleransätze

Wahl des Reglers

Simulation des Reglers

Realisierung des Reglers

Validierung des Reglers

Zusammenfassung und Ausblick

Quelltext

Video

Verlinken Sie hier ein YouTube-Video zu Ihrem fertigen Projekt. Tipps zum Video finden Sie hier.

Weblinks

Software

Siehe auch

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 |+ style = "text-align: left"|Tabelle 1: Bedeutung dieser physikalischen Größe in Bild 3
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-| \theta
+| <math> \theta </math>
-| Ein P-Regler erreicht in unserem Fall keine Regeldifferenz von 0. Die bleibende Regelabweichung kann durch Erhöhung des Parameters <math>K_P</math> verringert werden. Dies begünstigt jedoch ein aggressives Verhalten der Regelung.
+| der Schräglagenwinkel <math> \theta </math> ist 0 Grad , wenn das Motorrad vollkommen aufrecht steht, ist positiv, wenn das Motorrad von hinten gesehen gegen den Uhrzeigersinn geneigt ist, und negativ, wenn das Motorrad im Uhrzeigersinn geneigt ist.
 |-
-| \phi
+|  <math> \phi </math>
-| In dem Projekt wurde ein PI-Regler verwendet. Dieser kompensiert durch sein Integrator die bleibende Regelabweichung. Als Parameter wurden <math>K_P = 8</math> und <math>K_I = 16</math> verwendet. Dar unsere Stellgröße begrenzt ist, tritt der Wind-Up-Effekt auf. Dieser wird durch die Clamping-Methode verhindert.
+| die Rotationsverschiebung des Trägheitsrads relativ zum Rest des Motorrads ist <math> \phi </math>, wobei eine positive Verschiebung als gegen den Uhrzeigersinn definiert ist.
 |-
-| h_cm
+| <math>h_{cm} </math>
-| Der PID-Regler erweitert den PI-Regler durch ein Differenzierer, der auf die Änderungsrate der Reglerabweichung reagiert. Der Roboter hat keine komplexe Kinematik, wodurch die Änderungsrate meist konstant bleibt. Deshalb wird auf ein I-Glied verzichtet.
+| Die Höhe des Massenschwerpunkts über dem Boden bei aufrechtem Motorrad (<math> \theta </math> = 0) ist definiert als <math>h_{cm} </math>
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Selbstfahrendes Motorad mit Arduino: Unterschied zwischen den Versionen