Version vom 22. Oktober 2021, 14:44 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

Datei:Gantt Chart für Projektarbeit.xlsx

Die Projektarbeit einschließlich Projektseminar wird im Sommersemester 2021 angemeldet. Das heißt, die Benotung der Projektarbeit muss bis zum Ende des Wintersemesters 21/22 erfolgt sein.

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

Die Komponenten sind in der Bild2 dargestellt. Die Basis dieses Projekts bildet das Arduino-Board "MKR1000". MKR Motor Carrier ist eine MKR-Zusatzplatine für "MKR1000" zur Steuerung von Servo-, Gleichstrommotoren. Außerdem erweitert MKR Motor Carrier die Fähigkeiten von MKR1000 und vereinfacht die Anschluss zur anderen Aktoren und Sensoren über ein Reihe von 3-poligen Stiftleisten. IMU Sensor enthält verschiedene Sensoren, Beschleunigungsmesser, Gyrokope und Magnetometer, in einem einzigen Gehäuse. Mit IMU Sensor, der auf dem MKR1000 sitzt, wird die vertikale Position des selbstbalancierenden Motorrad gemisst und erkannt, wenn es fällt und der Kommuniziert mit MKR1000 via 122C. Hallsensor misst die Geschwindigkeit vom Trägheitsrad. Encoder misst die Geschwindigkeit vom Motorrad. Ultraschllsensor erkannt die Hindernisse vor dem Mortorrad. Servo-Motor ändert die Fahrrichtung des Motorrades. Das Motorrad nutzt Simulink, um die Sensoren, Aktuatoren und die Bewegung zu überwachen und zu steuern.

Identifikation der Regelstrecke

In diesem Projekt selbstfahrendes Motorrad ist die Regelstrecke der Neigungswinkel $\theta$ .

Tabelle 1: Bedeutung dieser physikalischen Größe in Bild 3
physikalische Größe	Bedeutung
$\theta$	der Neigungswinkel $\theta$ 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 $h_{cm}$

Tabelle 2: Bedeutung dieser physikalischen Größe in Bild 4
physikalische Größe	Bedeutung
$W$	Sollgröße. Wenn das Motorrad ganz aufrecht steht, ist der Neigungswinkel "0". Das heißt: $W = 0$
$e$	Regelfehler. Wir hoffen $e = 0$ . Das heißt: $e = W - r = 0$ .
$y$	Stellgröße des Reglers. Regelkontroller entsteht Gain nach Regelfehler zur Steuerung des DC Motors.
Fehler beim Parsen (Konvertierungsfehler. Der Server („cli“) hat berichtet: „[INVALID]“): {\displaystyle y^'}	Stellgröße. DC motor wirkt sich auf das Trägheitsrad zur Ausgleichung des Fehlers.
$z$	Störung. USB-Kabel gegen Motorräder, Luftwiderstand, Wind und verschiedene andere Ablenkungen
$y_{ges}$	Gesamtgröße. Die Gesamtregelgröße auf dem System.
$x$	Regelgröße. Der Neigungswinkel auf dem System
$r$	Rückführgröße. Die Größe des Neigungswinkels auf dem System wird von Sensoren gemisst.

Theoretische Diskussion über Bewegungsgleichungen für Motorrad

Das Drehmoment bei Motorrad $\tau_{net,M}$ hat 3 Hauptkomponenten, das auf das Motorrad um die Bodenachse des Rades wirkt:

$\rightarrow$ Gravitationsmoment $\tau_{g,M}$

$\rightarrow$ Trägheitsmoment des Trägheitsrads $\tau_{IW,M}$

$\rightarrow$ Externes Drehmoment $\tau_{ext,M}$

In dieser theoretischen Diskussion werden wir uns auf das ideale Szenario konzentrieren, bei dem $\tau_{ext,M} = 0$ . Dissipative Kräfte wie Reibung und Widerstandseffekte zwischen beweglichen Teilen $\tau_{fric,IM} = 0$ . Die Neigungswinkel $\theta$ ist sehr klein (nur wenige Grad), gilt für $\sin\theta \approx \theta$ .

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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 == Identifikation der Regelstrecke ==
-In diesem Projekt selbstfahrendes Motorrad ist die Regelstrecke der Schräglagenwinkel <math> \theta </math>.
+In diesem Projekt selbstfahrendes Motorrad ist die Regelstrecke der Neigungswinkel <math> \theta </math>.
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 |[[Datei:Beschreibung_des_Motorrades_durch_physikalische_Größe.png|thumb|links|600px|Bild 3: Beschreibung des Motorrades durch physikalische Größe. [[Benutzer:Junjie Lyu|Junjie Lyu]] ([[Benutzer Diskussion:Junjie Lyu|Diskussion]]) 10:49, 12. Okt. 2021]]
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 | <math> \theta </math>
-| 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.
+| der Neigungswinkel <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.
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 |  <math> \phi </math>
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 | <math> W </math>
-| Sollgröße. Wenn das Motorrad ganz aufrecht steht, ist der Schräglagenwinkel "0". Das heißt: <math> W = 0 </math>
+| Sollgröße. Wenn das Motorrad ganz aufrecht steht, ist der Neigungswinkel "0". Das heißt: <math> W = 0 </math>
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 |  <math> e </math>
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 | <math>y_{ges}</math>
-| Gesamtgröße. Die Gesamtgröße auf dem System.
+| Gesamtgröße. Die Gesamtregelgröße auf dem System.
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 | <math>x</math>
-| Regelgröße. Der Schräglagenwinkel auf dem System
+| Regelgröße. Der Neigungswinkel auf dem System
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 | <math>r</math>
-| Rückführgröße. Die Größe des Schräglagenwinkels auf dem System wird von Sensoren gemisst.
+| Rückführgröße. Die Größe des Neigungswinkels auf dem System wird von Sensoren gemisst.
 |}
+== Theoretische Diskussion über Bewegungsgleichungen für Motorrad ==
+Das Drehmoment bei Motorrad <math>\tau_{net,M}</math> hat 3 Hauptkomponenten, das auf das Motorrad um die Bodenachse des Rades wirkt:
+<math>\rightarrow</math>  Gravitationsmoment <math>\tau_{g,M}</math>
+<math>\rightarrow</math>  Trägheitsmoment des Trägheitsrads <math>\tau_{IW,M}</math>
+<math>\rightarrow</math>  Externes Drehmoment <math>\tau_{ext,M}</math>
+In dieser theoretischen Diskussion werden wir uns auf das ideale Szenario konzentrieren, bei dem <math>\tau_{ext,M} = 0</math>. Dissipative Kräfte wie Reibung und Widerstandseffekte zwischen beweglichen Teilen <math>\tau_{fric,IM} = 0</math>. Die Neigungswinkel <math> \theta </math> ist sehr klein (nur wenige Grad), gilt für <math> \sin\theta \approx \theta </math>.
 == Bewertung verschiedener Regleransätze ==

Selbstfahrendes Motorad mit Arduino: Unterschied zwischen den Versionen