Projekt 57: Arduino Segway

Aus HSHL Mechatronik
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Autoren: Philipp Tewes, Janis Ostermann
Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel

Segway Rumpf
Segway Gesamt


Das Projekt

Das Projekt wurde von Philipp Tewes und Janis Ostermann im Rahmen des Elektrotechnik Fachpraktikums im WS 2015/16 bearbeitet. Das Ziel sollte es sein, ein Segway auf der Basis eines Arduino UNO's zu entwerfen, welches sich selbst balancieren sollte um somit ohne Hilfe stehen zu können. Bevor mit dem Bau und der Programmierung des Segways begonnen wurde, sollten erst einmal einige Ziele definiert werden. Zuerst sollte die Hardware des Segways geplant werden. Dazu wurde eine Teile-Liste angefertigt. Nachdem alle benötigten Teile eingetroffen waren, wurde mit dem Bau der einzelnen Etagen begonnen. Fortgesetzt wurde die Arbeit mit dem Bau der Steuerbox welche den Gyro Sensor und die Potentiometer enthalten sollte. Die Potentiometer sollten zur einfachen Regulierung der Regelparameter dienen.
Nachdem alle Einzelteile fertiggestellt waren ging es um die Verkabelung der Komponenten. Nach Montage und der Verkabelung wurde das Segway anschließend durch Anbringung der Räder fertig gestellt.

Anschließend bestand die Aufgabe darin eine passende Software für die Regelung des Segways zu entwerfen und abzustimmen.


Bau


Teile-Liste

  • 2x RC Reifen 1:8 (Durchmesser 10cm)
  • 1x Bastelglas 25cm x 34cm
  • 1x Holzstab 70cm x 1,2cm
  • 1x Arduino Uno R3
  • 1x Saint Smart Sensor Shield
  • 2x Motor Drive L298N
  • 1x Beschleunigungs- und Gyro Sensor MPU-6050
  • 2x Getriebemotor 12V DC MFA 919D1481 148:1
  • 3x Potentiometer 10K
  • 1x Ladegerät APC300
  • 1x Akku-Pack PP2
  • 2x Achskupplung (M5 auf M5)
  • 2x Gummi Unterlegscheibe (Innendurchmesser 0,4cm Außendurchmesser 1,7cm)
  • 7x Metall Unterlegscheibe (Innendurchmesser 0,8cm Außendurchmesser 2,3cm)
  • 3x Metallschrauben M5 Länge 3cm
  • 4x M5 Unterlegscheiben
  • 10x Isolierende Gummi-Abstandsscheiben (für M3 Schrauben, 3mm Stärke)
  • 1x M5 Mutter
  • 1x M4 Gewindestange 1m
  • 24x M4 Muttern
  • 1x Tamya Stecker mit 5cm Kabel
  • 18x M3 Schrauben (1,5cm) mit Muttern
  • 4x Kleine Nägel
  • 4x Kleine Schrauben


Etagen

Beim Aufbau des Segways wurde sich für ein Konzept aus drei Etagen entschieden. Dabei diente Etage eins für die Befestigung des Holzstiels mit der Steuerbox und dem Lenker. Etage zwei war dabei die Etage an der die MotorShields, der Arduino UNO R3 und die Motoren verschraubt wurden. Etage drei diente dabei als Auflage für das Akku Pack. Beim Aufbau wurde darauf geachtet, dass der Schwerpunkt möglichst tief und unter der Fahrzeugachse lag. Daher befanden sich das Akku Pack und der Motor unter der Fahrzeugachse. Dadurch entstand ein Pendeleffekt der das Segway stabilisierte.

Etage 1

Technische Zeichnung der Ebene 1
  • 3mm Bohrungen für M4 Gewindestangen
  • Langloch für die Bohrung eingeschnitten













Etage 2

Technische Zeichnung der Ebene 2
  • 3mm Bohrungen für M4 Gewindestangen
  • 2mm Bohrungen für Motoren und Motor-Shield
  • Rote Löcher für Motor-Shields, nur Außen bemaßt. Innere Löcher können je nach Shield abweichen. Außen wurde gebohrt und dann Innen entsprechend angezeichnet
  • Grüne Löcher für Motoren, nur Außen bemaßt. Innere Löcher können je nach Motor abweichen. Außen wurde gebohrt und dann innen entsprechend angezeichnet
  • Die Löcher für die Befestigungen der elektrischen Bauteile wurden gesenkt
  • Arduino nur zur Kannte bemaßt, mittig aufgesetzt und angezeichnet











Etage 3

Technische Zeichnung der Ebene 3
  • 3mm Bohrungen für M4 Gewindestandgen
  • Gummi überziehen











Steuerbox

Technische Zeichnung der Steuerbox
  • 5mm Löcher in das Plexiglas für die Potentiometer gebohrt
  • Potentiometer in das Plexiglas eingeschraubt. Über Gewinde am Potentiometer.
  • Folgende Komponenten mit einer Gummi Abstandsscheibe versehen
  • Gyroskop an die mit 3mm vorgeborten Löcher mit M3 Schrauben geschraubt und mit Mutter auf der Unterseite befestigt
  • Platine Ebenfalls mit M3 Schrauben verschraubt und befestigt
  • In die Unterseite ein 9mm Loch gebohrt um die Kabel herausführen zu können
  • Zusätzlich wurde eine kleine Schaltung entworfen. Diese besaß einen 10 nanofarad Keramik Kondensator (C1) zwischen Plus und Minus für die Entstörung. Ein weiterer 10 Mikrofarad Elektrolyt Kondensator (C2) war dabei für eine Strom Speicherung für den Gyrosensor vorhanden. Denn der Gyrosensor benötigte eine sehr stabile Spannung um fehlerfreie Werte liefern zu können.


Schaltplan

























Stiel und Querstange

Technische Zeichnung des Stiels
  • Holzstiel in zwei Stücke geschnitten, einmal 50,5cm und 14cm
  • Den 14cm Stiel mittig in eine Stirnfläche des längeren Stiels verschrauben, mit M5 Schraube 3cm und M5 Unterlegscheibe (vorgebohrt)












Verkabelung

Schaltplan

Die Verkabelung wurde in Fritzing geplant und wie in der Abbildung umgesetzt, einzig das Sensor Shield stand dort nicht zur Verfügung. Dies stellte aber kein Problem bei der Planung der Verkabelung dar, denn auf dem Sensor Shield gab es einen extra Anschluss für den Gyro Sensor. Bei den Motoren wurde dabei auf ein Kabel mit 0,5mm Querschnitt gesetzt, für die restlichen Kabel 0,25mm. Der Akku wurde dabei mit dem Tamya Stecker und 5cm Kabel in die Klemmen des rechten Shields geklemmt. Von hier aus gingen noch zwei Kabel zum linken Shield, um dieses ebenfalls mit Spannung vom Akku zu versorgen. Die Kabel der Steuerbox wurden von der Bohrung oder der Bodenplatte der Steuerbox aus am Stiel verlegt, an diesem wurden sie mit Kabelbindern befestigt. Bevor die Verkablung nach dem Fritzing Plan vorgenommen wurde, musste das Sensor Shield auf den Arduino UNO aufgesteckt werden.
















Reifen

Aufbau der Achse
Angeschliffene Achse

Weil es sich bei den Reifen um RC Reifen in der Größe 1:8 handelte waren diese nicht für den Betrieb an den Getriebemotoren vorgesehen. Aus diesem Grund musste ein eigener kleiner Adapter nach der folgenden Abbildung zusammengebaut werden. Bei dieser Verbindung war auf besonders hohe Stabilität zu achten, denn sie bildeten gleichzeitig die Achse. Die Schrauben wurden dabei noch an einer Stelle etwa 1mm mit einer Pfeile abgeflacht. So wurde sichegestell, dass sich die Achse nicht durch das Anfahrdrehmoment der Motoren verdrehen konnte. An den Motoren war diese Abflachung bereits vorhanden. Die Achskupplungen wurden auf die Schrauben gesteckt. Diese sollten dabei auf die Abflachungen Radschrauben geschraubt werden.












Montage

Begonnen wurde mit der Montage des Stiels, nach dem Vorbild der ersichtlichen Zeichnung. In diesem Schritt wurde gleich die Steuerbox befestigt. Dies wurde mit einer M5 Schraube in 3cm umgesetzt. Zusätzlich wurde die Verschraubung auf der Außenseite am Stiel mit einer Unterlegscheibe versehen. Daraufhin wurden zunächst die Motoren an der Etage 2 befestigt. Dabei war zu beachten, dass zunächst alle Schrauben in die zugehörigen Löcher gesteckt werden mussten, da die Halterung der Motoren die Löcher daraufhin bedeckte. Danach wurde die restliche Hardware mit den M3 Schrauben befestigt (Arduino UNO, Motor Shields). Auf diese wurde pro Schraube eine Gummi Abstandsscheibe gesteckt. Auf Etage drei wurde noch ein Gummi gespannt, dies sollte ein Verrutschen des Akkus verhindern. Dann wurden Etage zwei und Etage drei mit einem Abstand von 7cm mithilfe der M4 Gewindestangen verbunden. Die Etagen wurden dabei durch die M4 Muttern positioniert und von der Gegenseite mit einer weiteren M4 Mutter leicht festgeklemmt. Der bereits vormontierte Stiel mit der Steuerbox wurde mit einer 3cm M5 Schraube an Etage eins befestigt. Dabei wurden auf beiden Seiten Unterlegscheiben untergelegt, um die Belastung auf das Glas zu verteilen. Bevor Etage eins ebenfalls verschraubt wurde mussten noch die Kabel des Stiels auf dem Sensor Shield versteckt werden. Jetzt konnte auch Etage eins mit den restlichen Etagen über die Gewindestangen verschraubt werden. Auch hier mit einem Abstand von je 7cm. Als letzter Schritt mussten noch die Räder an den Motoren befestigt werden. Hierzu wurden die Achskupplungen auf die Motoren gesteckt und auch dort durch die Schrauben der Achskupplungen festgeschraubt.

Montierte Steuerbox
Montierter Motor mit Reifen
Montiertes Motor Shield
























Software des Arduino UNO

Die folgende Software wurde mit der Arduino IDE Entwicklungsumgebung entwickelt. Es wurden einige Bibliotheken eingebunden, die bei der Kommunikation mit dem Gyrosensor helfen sollten. Zunächst sollten die gegebenen Offsets für unseren Gyrosensor herausgefunden werden. Dazu wurde ein Beispielprogramm genutzt, welches die aktuellen Gyroskop-Werte ausgab. Der aktuelle Wert im gerade stehenden Zustand wurde als Referenzwert, in welchen sich das Segway zu begeben versuchen sollte, gewählt. Der Hauptteil des Programms maß ständig die Winkeländerung und ermittelte über die vergangene Zeit den aktuellen Winkel. Sobald dieser über 45 Grad groß wurde, wurde nichts weiter ausgeführt um so beim Umfallen des Segway die Motoren zu stoppen. Solange aber der Winkel unter 45 Grad groß war sollte das Segway sich wieder in eine gerade Position bringen. Dieses sollte durch ansteuern der Motoren passieren, welche durch die Fahrt in die Richtung in welche das Segway kippte, dieses wieder aufstellten. Die Kraft mit der die Motoren angesteuert werden sollten wurde mit einem PID Reglerberechnet. Dieser bekam als Eingangsgröße den aktuellen Abweichungswinkel und hatte die Kraft mit dem die Motoren angesteuert wurden als Ausgangsgröße. Die Werte mit denen der Regler laufen sollte wurden über feste Variablen definiert oder über die analogen Eingänge des Arduinos von den Potentiometern eingelesen.

Im Folgenden ist unser Programm angehängen. Die Bibliotheken können aus dem Internet oder dem Programmordner im zugehörigen SVN Verzeichnis bezogen werden.

Programmcode

#include "Wire.h"
#include "SPI.h"  
#include "nRF24L01.h"
#include "I2Cdev.h"
#include "MPU6050.h"

// Variablen für das Accelometer und den Gyro
MPU6050 accelgyro;
int16_t ax, ay, az;
int16_t gx, gy, gz;

// Definitionen von Schlüsselwörtern
#define Gry_offset 300                   // Offset des Gyro
#define Gyro_Verstaerkung 0.00763358     // Verstärkung des Gyro Analog Signals
#define Winkel_offset -22                // Offset des aktuellen Winkels 
#define Motor_offset 0                   // Motor Offset
#define pi 3.14159                       // Definition von der Zahl Pi

// Variablen für den PID Regler
float kp, ki, kd; 
float r_angle, f_angle, omega;

// Variablen für die Zeitberechnung
unsigned long preTime = 0;
float SampleTime = 0.08;
unsigned long lastTime;
float Output;
float errSum, dErr, error, lastErr;
int timeChange; 

// Definition der Ports mit Variable für Pinmode
//Reifen rechts
int TN1=8;
int TN2=9;
int ENA=5;

//Reifen links
int TN3=11;
int TN4=10;
int ENB=6;


int sensorPin0 = A0;    // Input Pin für das Potentiometer 0
int sensorPin1 = A1;    // Input Pin für das Potentiometer 1
int sensorPin2 = A2;    // Input Pin für das Potentiometer 2

int sensorValue1 = 0;   // Variable um den Wert des Potentiometer 0 zu speichern
int sensorValue0 = 0;   // Variable um den Wert des Potentiometer 1 zu speichern
int sensorValue2 = 0;   // Variable um den Wert des Potentiometer 2 zu speichern



void setup() {
  Wire.begin();             // Start serieller Kommunikation
  accelgyro.initialize();   // Initalisieren des Gyro/Accelometer
  pinMode(TN1,OUTPUT);      // Ausgänge zuweisen
  pinMode(TN2,OUTPUT);
  pinMode(TN3,OUTPUT);
  pinMode(TN4,OUTPUT);
  pinMode(ENA,OUTPUT);
  pinMode(ENB,OUTPUT);

  Serial.begin(115200);     // Serielle Bandrate 
}



void loop() 
{
  accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);     // Aktueller Wert des Gyro/Accelometer laden
  r_angle = (atan2(ay, az) * 180 / pi + Winkel_offset);   // Aktueller Winkel (bei 0 Grad steht das Segway gerade)
  omega =  Gyro_Verstaerkung * (gx +  Gry_offset);  Serial.print("  omega="); Serial.println(omega);
  if (abs(r_angle)<45){                                   // Winkel kleiner als 45 Grad
    myPID();                                              // Berechnung der aktuellen PID Werte
    PWMControl();                                         // Ansteuern der Motoren mit aktuellen Werten
  }
  else{	// Wenn der winkel größer als 45 Grad wird soll angenommen werden, dass das Segway umgefallen ist und keine Bewegung mehr ausgeführt werden
    analogWrite(ENA, 0); // Motor A Bremsen
    analogWrite(ENB, 0); // Motor B Bremsen
  }
}


// PID Werte Berechnung
void myPID()
{
  
  kp = analogRead(A0)*0.1;  Serial.print("kp= ");Serial.print(kp);          //Einlesen des kp Wertes über Potentiometer wählbar
  ki = analogRead(A1)*0.001;  Serial.print(" /// ki= ");Serial.print(ki);   //Einlesen des ki Wertes über Potentiometer wählbar
  kd = analogRead(A2)*1.5;  Serial.print(" /// kd= ");Serial.println(kd);   //Einlesen des kd Wertes über Potentiometer wählbar
  
  // Wahlweise können auch feste Werte genutzt werden
  //kp = 35;  Serial.print("  kp=");Serial.print(kp);
  //kd = 30;  Serial.print("  kd=");Serial.print(kd);
  //ki = 0;  Serial.print("  ki=");Serial.println(ki);
   
  unsigned long now = millis();         //aktuelle Zeit
  float dt = (now - preTime) / 1000.0;  //vergangene Zeit seit vor der letzten Berechnung
  preTime = now;                        //Zeit zu Beginn
  float K = 0.8;
  float A = K / (K + dt);
  f_angle = A * (f_angle + omega * dt) + (1 - A) * r_angle;  Serial.print("  f_angle=");Serial.println(f_angle);  //Winkel Berechnung
  
  timeChange = (now - lastTime);        //vergangene Zeit seit Beginn der letzten Berechnung
  if(timeChange >= SampleTime){
    error = f_angle; // Abweichung von 0 Grad
    errSum += error * timeChange;
    dErr = (error - lastErr) / timeChange;
    Output = kp * error + ki * errSum + kd * dErr;  Serial.print("  Output=");Serial.println(Output);
    lastErr = error;
    lastTime = now;                     //Zeitstempel nach Berechnung
  }
}

void PWMControl(){
  if(Output > 0){            //Vorwärts
    digitalWrite(TN1, HIGH);
    digitalWrite(TN2, LOW);
    digitalWrite(TN3, HIGH);
    digitalWrite(TN4, LOW);
  }
  else if(Output < 0){       //Rückwärts
    digitalWrite(TN1, LOW);
    digitalWrite(TN2, HIGH);
    digitalWrite(TN3, LOW);
    digitalWrite(TN4, HIGH);
  }
  else{                           //Bremse
    digitalWrite(TN1, HIGH);
    digitalWrite(TN2, HIGH);
    digitalWrite(TN3, HIGH);
    digitalWrite(TN4, HIGH);
  }

    analogWrite(ENA, min(255, abs(Output) + Motor_offset)); //Geschwindigkeit rechts
    analogWrite(ENB, min(255, abs(Output) + Motor_offset)); //Geschwindigkeit links
}



Regler Auslegung

Die Abstimmung des realisierten PID Reglers wurde, wie aus der Vorlesung der Reglungstechnik bekannt, mit der Schwingungsmethode vorgenommen. Vorgegangen wurde dabei nach den folgenden fünf Schritten.

PID Reglerauslegung mit Schwingungsmethode Ziegler/Nichols

Vorgehen:

  1. Parametrierung des Systems als reiner P‐Regler. Dabei wurden die Anteile Ki und Kd auf null gesetzt
  2. Erhöhung der Regelverstärkung (Kp-Wert), bis Dauerschwingungen auftreten
  3. Bestimmen der Regelverstärkung Kp krit, und der Periodendauer T krit
  4. PID‐Reglerparameter aus der Tabelle des Einstellverfahrens ablesen. (siehe Tabelle)
  5. Test des eingestellten Reglers


Entwurf des Reglers
Reglertypen
Kp Ki Kd
P 0,5 Kp krit - -
PI 0,45 Kp krit 0,85 T krit -
PID 0,6 Kp krit 0,5 T krit 0,12 T krit


Achtung: Es musste darauf geachtet werden, das das Segway beim Überschwingen nicht umfällt und beschädigt wird!

Fazit

Abschießend kann man sagen, dass das Projekt viel Zeit gekostet hat, dieses aber durch Spaß an der praktischen Arbeit und am fertigen, funktionstüchtigen Projekt gut gemacht wurde.

Probleme

Im Laufe des Projekts kam es immer wieder zu kleineren Problemen:

  • Das erste Motorshield überhitzte uns einige Male bis zum Defekt, da die Anlaufströme der Motoren zu groß waren. Da beim Regeln immer wieder Angefahren wurde kam es häufig zu zu hohen Anlaufströmen. Dies wurde durch die Verwendung eines zweiten Motorshields gelöst. Die Hitze konnte so besser abgeführt werden, da die Leistung auf zwei Bausteine getrennt wurde.
  • Sich lösende Schrauben an den Achsverbindern führten immer wieder dazu, dass das Segway die Kraft der Motoren nicht gleichmäßig auf den Untergrund übertragen konnte und so aus dem Gleichgewicht kam. Dieses Problem wurde bisher noch nicht gelöst.
  • Da der aktuelle Akku-Ladestand nicht angezeigt wurde, war es nie klar wann der Akku bei der Ladung genau voll war um so einer Überladung vorzubeugen. Genauso war es nicht klar wann der Akku zu leer sein würde um das Segway zu betreiben oder sich beschädigen würde durch zu hohe Entladung.


Erreichte Ziele

Es wurden alle von uns gestellten Ziele erreicht. Die Hardware wurde von uns selbst entwickelt und ist voll funktionstüchtig. Außerdem konnte eine laufende Software geschrieben werden, die das Segway sich selbst balancieren ließ.


Fortführung

  • Es besteht die Möglichkeit der Erweiterung durch eine Fernbedienung, zum Beispiel per Bluetooth oder WLAN, durch welche mit einem passenden Modul mit dem Arduino kommuniziert werden könnte
  • Es könnte, da die Motoren getrennt von einander angesteuert werden können, eine Lenkbewegung programmiert werden, mit der sich das Segway fortbewegen und geteuert werden könnte
  • Leider ist es noch nicht gelungen die idealen Werte für den PID Regler zu finden. Die Reglung könnte noch so weit optimiert werden, dass das Segway auch wenn es stärker angestoßen würde, sich wieder fangen könnte

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