Escape Game: Kugel-Balancierer

Autoren:	Kilian Engelhardt, Daniel Block
Betreuer:	Prof. Schneider

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.

Schwierigkeitslevel: fortgeschritten

Lernziele: Spielerisch die Anwendung eines Reglers und die Einflüsse der drei Anteile P, I und D erlernen

Bezug zum BSE Studium: Regelungstechnik, Messdatenverarbeitung (Filterung)

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
10	I	1	Hardware
11	A		Die Sensoren und Aktoren müssen mit dem Arduino verbunden werden	Block	02.10.2025	Ausstehend
12	A		Die Außenmaße des Kugel-Balancierers müssen kleiner sein als 358,02 x 250 x 250 mm	Block	02.10.2025	Ausstehend
13	A		Die konstruierten Bauteile sollen mittels 3D-Druck hergestellt werden, wobei der Anteil des für Stützstrukturen verwendeten Filaments weniger als 10 % des gesamten Filamentverbrauchs betragen darf	Block	02.10.2025	Ausstehend
20	I	2	Komponententest
21	A		Die Verdrahtung der elektronischen Komponenten mit dem Mikrocontroller muss mit dem Verdrahtungsplan überstimmen	Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
22	A		Der Distanzsensor muss die Distanz zum Ball in einem Bereich von 3 bis 30cm messen können	Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
23	A		Der Distanzsensor muss eine Abtastrate von mindestens 20 Hz haben	Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
24	A		Der Servomotor muss die Schiene von der Mittelstellung aus um mindestens 3 cm nach oben und 3 cm nach unten bewegen können	Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
30	I	3	Software
31	A		Die Programmierung des Mikrocontrolleralgorithmus muss durch die MATLAB/Simulink Software in der Version 2024b erfolgen	Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
32	A		Der Mittelpunkt der Schiene muss mit einer "Kalibrierfunktion" einstellbar sein	Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
40	I	4	Programmierung
41	A		Der Servomotor muss mit einem PWM Signal angesteuert werden	Block	02.10.2025	Ausstehend
42	A		Eine Funktion zur Filterung falscher Messwerte muss in den Algorithmus implementiert werden	Block	02.10.2025	Ausstehend
43	A		Das PWM Signal für den Servomotor muss von einem PID-Regler berechnet werden	Block	02.10.2025	Ausstehend
44	A		Die P, I und D-Anteile des Reglers müssen in Echtzeit über Drehregler einstellbar sein	Block	02.10.2025	Ausstehend
45	A		Die aktuellen Werte für den P, I und D-Anteile des Reglers müssen auf einem Display angezeigt werden	Block	02.10.2025	Ausstehend
50	I	5	Dokumentation
51	A		Alle Softwarekomponenten müssen einen Header besitzen	Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
52	A		Ein Wiki-Artikel muss nach Anleitung fertiggestellt werden	Engelhardt	02.10.2025	Ausstehend
53	A		Die angefertigten CAD-Modelle und Programmdaten müssen in SVN hochgeladen werden	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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