Escape Game: Kugel-Balancierer

Autoren:	Kilian Engelhardt, Daniel Block
Betreuer:	Prof. Schneider oder Prof. Göbel oder Marc Ebmeyer

Einleitung

Das Escape Game "Kugel-Balancierer" entsteht im Rahmen des Moduls Angewandte Mechatronik des Studiengangs Business and Systems Engineering (BSE). Anhand dieses Projekts lässt sich zeigen, wie sich mit wenigen Bauteilen ein experimentelles Puzzle für ein physikalisch-technisches Escape Game entwerfen lässt. Eine Kugel rollt auf einer einachsig kippbaren Schiene, ein Servomotor verändert den Neigungswinkel, ein Distanzsensor misst die Position. Die Spielenden stellen über drei Drehregler die P-, I- und D-Anteile eines Reglers ein. Ziel ist es, die Kugel für eine definierte Zeit im Fenster um die Mittelposition zu halten – gelingt dies, wird ein Code auf dem Display ausgegeben.

Das Puzzle erinnert an klassische Murmelbahnen und vermittelt zugleich zentrale Begriffe der Regelungstechnik. Die zugrunde liegende Physik ist anschaulich: Entlang der geneigten Ebene wirkt die Beschleunigung $a\approx g\cdot \alpha$ (für kleine Winkel $\alpha$), die den Kugelort verändert. Ein PID-Regler nach der Formel $u(t)=K_P\cdot e(t)+K_I\int e(t)\mathrm{d}t+K_D\frac{\mathrm{d}e}{\mathrm{d}t}$ stabilisiert das System. Hierbei stellt der Winkel des Servomotors die Stellgröße $u$ dar, der Positionsfehler $e$ bildet die Regelgröße.

Bezüglich der Vorgehensweise bei diesem Projekt wurde sich am Ablauf des V-Modells orientiert.

Anforderungen

Als erster Schritt nach Vorgehensweise des V-Modells wurden Anforderungen definiert, welche während der Arbeiten am Projekt des Escape Games erfüllt werden sollen.

Die Anforderungen wurden in folgende Kapitel untergliedert und in Tabelle 1 festgehalten:

• Hardware
• Komponententest
• Software
• Programmierung
• Dokumentation

Tabelle 1: Anforderungsliste Kugel-Balancierer

ID	Typ (I = Info, A = Anforderung)	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum	Status Auftragnehmer
0010	I	1	Hardware
0011	A		Eine Auswahl passender elektronischer Komponenten muss erfolgen	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
0012	A		Die Konstruktion der benötigten CAD-Modelle für mechanische Bauteile muss erfolgen	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
0013	A		Die konstruierten mechanische Bauteile sollen mittels additiver Fertigungsverfahren angefertigt werden	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
0014	A		Die Abmessungen des vollständigen Systems müssen an die Abmessungen eines Schuhkartons angepasst werden	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
0020	I	2	Komponententest
0021	A		Die Verdrahtung der elektronischen Komponenten mit dem Mikrocontroller muss überprüft werden	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
0022	A		Ein Auslesen des Infrarot Distanzsensors muss erfolgen	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
0023	A		Die Funktion des Servomotors und der mechanischen Bauteile muss geprüft werden	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
0030	I	3	Software
0031	A		Die Programmierung des Mikrocontrollers muss durch die MATLAB/Simulink Software erfolgen	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
0032	A		Eine Kalibrierung des Infrarotsensors muss durchgeführt werden	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
0040	I	4	Programmierung
0041	A		Ein Algorithmus zum Auslesen des Infrarotsensors und Ansteuern des Servomotors muss erstellt werden	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
0042	A		Eine Funktion zur Filterung falscher Messwerte muss in den Algorithmus implementiert werden	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
0043	A		Die Implementierung eines PID-Reglers zur Regelung des Servowinkels muss in der MATLAB/Simulink Software erfolgen	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
0044	A		Eine Implementierung der Rotary Encoder für ein manuelles Auslegen der PID-Anteile des Reglers muss erfolgen	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
0050	I	5	Dokumentation
0051	A		Die erforderlichen CAD-Modelle, Datenblätter und Programmdaten müssen dokumentiert werden	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
0052	A		Ein Wiki-Artikel muss nach Anleitung fertiggestellt werden	Block/Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend

Funktionaler Systementwurf

In der folgenden Abbildung 2 ist der funktionalen Systementwurf des Kugel-Balancierers dargestellt. Die mechanischen Elemente werden aus Holz bzw. mittels 3D-Druck erstellt. Mittels Servomotor kann der Drehwinkel einer Drehscheibe (Stellgröße) verändert werden, um die Laufbahn der zu balancierenden Kugel (in gelb dargestellt) zubewegen. An einer Seite der Laufbahn befindet sich ein Infrarot Distanzsensor, um die aktuelle Position dieser Kugel auf der Laufbahn zu erfassen, welche ebenfalls die Regelgröße des Systems darstellt. Diese soll durch einen auf dem Mikrocontroller (hier Arduino MEGA) ausgeführten PID Regler geregelt werden. Um das Escape Game zu starten und die P-, I- und D-Anteile des Reglers über die drei Rotary Encoder einzustellen, muss das System über den seitlichen Schalter eingeschaltet werden. Bei Erfolg wird ein Code über den Display ausgegeben.

Abb. 2: Funktionaler Systementwurf des Balancierers

Technischer Systementwurf

Als technischer Systementwurf für das Projekt wurde der folgende Verdrahtungsplan erstellt (siehe Abbildung 3). In diesem sind alle elektronischen Bauteile des Balancierers sowie deren Verdrahtung mit dem Mikrocontroller dargestellt.

Abb. 3: Technischer Systementwurf des Balancierers

Literatur

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