Arduino Ballbalancierer

Autoren: Niklas Reeker & Marius Erdmann
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Mirek Göbel & Prof. Dr.-Ing. Ulrich Schneider

→ zurück zur Übersicht: WS 22/23: Angewandte Elektrotechnik (BSE)

Einleitung

Im Rahmen des GET-Fachpraktikums ensteht das Projekt Arduino Ballbalancierer. Bei diesem wird ein Ball mithilfe von Steuerungs- und Regelungsalgorithmen in der Mitte einer Wippe ausbalanciert. Auf externe Störeinflüsse soll das mechatronische System reagieren und den Ball schnellstmöglich an seine urspüngliche Position zurückbewegen. Eine RGB-LED zeigt zudem an ob das System Betriebsbereit ist.

Anforderungen

Tabelle 1: Testbare Anforderungen

ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Entwerfen einer mechanischen Konstruktion, welche als Wippe fungiert.	Marius Erdmann	13.10.2022	Niklas Reeker	14.10.2022
2	Herstellen einer Stromversorgung für Servomotor, Sensor, LED und Arduino.	Marius Erdmann	13.10.2022	Niklas Reeker	14.10.2022
3	Automatisches starten des Arduino Programms bei vorhandener Stromversorgung.	Marius Erdmann	13.10.2022	Niklas Reeker	14.10.2022
4	Die LED soll einen Status anzeigen (System mit Spannung versorgt, System aktiv).	Marius Erdmann	13.10.2022	Niklas Reeker	14.10.2022
5	Der Sensor soll die Entfernung zum Ball korrekt erfassen.	Marius Erdmann	13.10.2022	Niklas Reeker	14.10.2022
6	Der Arduino soll den Servomotor ansteuern.	Marius Erdmann	13.10.2022	Niklas Reeker	14.10.2022
7	Es soll ein passender Regler ausgewählt werden.	Marius Erdmann	13.10.2022	Niklas Reeker	14.10.2022
8	Die gewählte Regelung muss passend parametriert werden.	Marius Erdmann	13.10.2022	Niklas Reeker	14.10.2022
9	Die LED soll eine visuelle Rückmeldung geben, wenn der Ball in der Mitte ist.	Marius Erdmann	13.10.2022	Niklas Reeker	14.10.2022

Tabelle 1 zeigt die funktionalen Anforderungen.

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

• 

  Abb. 1: Technischer Systementwurf

• 

  Abb. 2: Funktionaler Systementwurf

Komponentenspezifikation

Tabelle 2: Liste aller Komponenten

ID	Komponente	Bezeichnung
1	Konstruktion mit Wippe	Eigenbau
2	Arduino Uno Rev. 3	A000073
3	Sharp Entfernungssensor	GP2Y0A21YK0F
4	Futaba Servomotor	S3003
4	RGB-LED	LL 5-8000RGB

Tabelle 2 zeigt die benötigten Komponenten für den Aufbau des Ballbalancierers.

Umsetzung (HW/SW)

Wippe

Für die Wippe wurde als Grundplatte eine Multiplex Holzplatte verwendet. Auf diese wurde ein Kantholz festgeschraubt. An dem Kantholz ist auf der Oberseite ein Scharnier angebracht, welches als Verbindung zu dem U-Profil aus Kunststoff dient und dabei die Wippfunktion ermöglicht. Außerdem ist an dem Kantholz der Servomotor mittels einer Halterung befestigt. Auf dem U-Profil auf welchem sich später der Ball bewegen soll befindet sich der Infrarotsensor. Dieser ist über eine Halterung aus Holz an dem U-Profil angebracht. Das Breadboard sowie der Mikrocontroller sind auf der Grundplatte befestigt.

Arduino Uno

Infrarotsensor Der Infrarotsesnsor misst die Entfernung zum Ball mittels Triangulation. Die analogen Messwerte sind an der Port A0 mit dem Arduino Uno verbunden.

RGB LED

Servomotor

Projektunterlagen

Projektplan

• 

  Abb. 3: Projektplan Arduino Ballbalancierer

Projektdurchführung

Nach Erstellung eines Projektplans erfolgt die Auswahl und Beschaffung der Sensoren und Aktoren sowie aller weiteren Bauelemente/Bauteile. Anschließend soll der Aufbau der Konstruktion erfolgen. Nach dem Zusammenbau sollen die elektronischen Einzelkomponenten angeschlossen und getestet werden. Die dafür zu schreibenden Einzelprogramme werden später für das Gesamtprogramm zusammengeführt. Nach dem Einbau aller elektrischen Komponenten in das Gesamtsystem wird der PID-Regler programmiert und parametriert. Zum Schluss wird die Funktionalität des Gesamtsystems überprüft, ein YouTube-Video gedreht und das Projekt auf der Projektmesse vorgestellt.

Literatur

---

→ zurück zur Übersicht: WS 22/23: Angewandte Elektrotechnik (BSE)