elektryczny_pojazd_balansujacy_art_elektorda.pdf

DIY SEGWAY - Elektryczny Pojazd Balansujący

http://obrazki.elektroda.pl/9297754400_1345664616_thumb.jpg Witam. Chciałbym zaprezentować pojazd, którego budowę ukończyliśmy w poprzednim semestrze z kolegami z Koła Naukowego Techniki Mikroprocesorowej w Energoelektronice. Pojazd to znany wszystkim Segway, który nazwaliśmy EPB (Elektryczny Pojazd Balansujący). Opis tego pojazdu (który załączyłem poniżej) został przygotowany na konferencję SECON 2012, więc nie będę się tu dodatkowo rozpisywał, proszę przejrzeć PDF w załączniku ;) Po prostu będę odpowiadał na ewentualne pytania. Pojazd wykonywany był po zajęciach jako praca dodatkowa w Kole Naukowym, gdzie każdy z nas musiał jeszcze wykonywać własną pracę mgr, więc nie wszystko zostało wykonane dokładnie tak, jakbyśmy sobie tego życzyli. Strona Koła Naukowego: Link Fotografie z prac, na prototypie układów sterujących oraz zrzuty z aplikacji (któraś z początkowych jej wersji) napisanej w LabVIEW: http://obrazki.elektroda.pl/8840008400_1345666590_thumb.jpg http://obrazki.elektroda.pl/4535821400_1345667128_thumb.jpghttp://obrazki.elektroda.pl/5716489500_1345745082_thumb.jpg http://obrazki.elektroda.pl/8013439200_1345745245_thumb.jpg Do LabVIEW przesyłamy wybrane wielkości sterujące w naszym pojeździe. Film: http://www.youtube.com/watch?v=xZgVWym41Nk Artykuł z opisem:


Politechnika Białostocka, Wydział Elektryczny, Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych
ul. Wiejska 45D, 15-351 Białystok

ELEKTRYCZNY POJAZD BALANSUJĄCY

Koło naukowe Techniki Mikroprocesorowej w Energoelektronice rozpoczęło swoją działalność
w roku 2010. Zostało założone przez studentów III roku elektrotechniki. Głównym powodem
utworzenia koła było poszerzanie wiedzy z zakresu przekształtn ików w napędzie elektrycznym oraz
zdobywanie praktycznych umiejętności. Między 2010 a 2011 rokiem grupa zrealizowała kilka
ciekawych projektów m.in. trójfazo wy falownik napięcia małej mocy wraz ze sterowaniem.
Na początku roku 2011 członkowie koła zainspirowani seryjnie produkowanym pojazdem Segway
Human Transporter oraz rosnącym zainteresowaniem pojazdami elektrycznymi postanowili
zbudować dwukołowy jednoosobowy transporter .
Głównym założeniem studentów było stworzenie pojazdu całkowicie samodzielnie,
ograniczając do minimum ilość gotowych podzespołów.
Pracę projektowe rozpoczęto w sierpniu, a pierwsze testy gotowego pojazdu przeprowadzono
w grudniu 2011. Nad pojazdem pracowały trzy dwuosobowe grypy. Prace podzielono na trzy
główne

zagadnienia:

konstrukcję

mechaniczną,

układy

elektryczne

i

elektroniczne

oraz programowanie.

Transporter kołowy jako odwrócone wahadło.
Największym wyzwaniem projektu był sposób poruszania się bazujący na idei odwróconego
wahadła. Środek ciężkości w takim układzie znajduje s ię powyżej osi obrotu rys.1.

Rysunek 1. Schemat obróconego wahadła, m - masa; g - przyspieszenie grawitacyjne; F- siła działająca na masę m;
? - wychylenie od pozycji pionowej; l - długość ramienia

Odwrócone wahadło jest układe m niestabilnym, konieczna jest więc aktywna regulacja w celu
utrzymania go w pozycji pionowej (oś y na rys. 1). Utrzymanie pionowej pozycji układu
jest możliwe poprzez odpowiednie dawkowanie momentu obrotowego lub przemieszczanie osi
obrotu wzdłuż osi x uk ładu współrzędnych. Omawiany pojazd można traktować jako odwrócone
wahadło, w którym koła jezdne umieszczone są na wspólnej osi, stanowiącej jednocześnie oś
obrotu wahadła (oś z na rys.2). Ułożyskowane koła są na stałe sprzęgnięte z silnikami
elektrycznymi przytwierdzonymi do platformy jezdnej. Układ napędowy tego typu umożliwia
ciągłe przekazywanie momentu obrotowego na koła dążąc do uzyskania kąta wychylenia ?=0o.
Wychylenie środka ciężkości o kąt ? & lt; 0o lub ? & gt; 0o powoduje przekazywanie momentu napędowego
na koła, a tym samym poruszanie się układu zgodnie ze zwrotem osi x.

m

y
?

z
x
Rysunek 2. Schemat przemieszczania środka ciężkości o kąt ? od osi y układu odniesienia

System sterowania
Bazując na idei opisanej powyżej opracowano układ sterowania analizujący wychylenie środka
ciężkości od pozycji wyjściowej (?=0o) i odpowiednie sterowanie silnikami napędowymi w celu
minimalizowania wychylenia. Sercem układu sterowania jest mikrokontroler STM32F103RBT6
z rdzeniem ARM Cortex-M3.

Rysunek 3. Plytka w sterowania pojazdem zawierająca mikrokontroler

Mikroprocesor realizuje algorytm sterowania oparty na zamkniętej pętli regulacji. Aktualna
wartość kąta odejmowana jest od wartości zadanej. Tak obliczony uchyb trafia do regulatora typu
PD.
Do obliczania kąta ? wykorzystano dane pochodzące z dwóch cyfrowych czujników typu MEMS
(Micro Electro - Mechanical Systems): akcelerometru i żyroskopu.
Akcelerometr mierzy siły działające na czujnik w trzech osiach. Dane te trafiają do układu
mikroprocesorowego i za pomocą zależności trygonometrycznych wyliczany jest kąt wychylenia
osi pionowej akcelerometru od wektora siły przyciągania ziemskiego (w płaszczyźnie x-y jak
na rys.2). Czujnik przyśpieszenia jest bardzo wrażliwy na udary mechaniczne, dlatego nie jest
jedynym źródłem informacji o kącie wychylenia. Przeprowadzone symulacje przejazdów
transportera po nierównościach dowiodły, że dane z akcelerometru bez dodatkowej ,,obróbki" były
bezwartościowe.
Żyroskop mierzy prędkość obrotową wokół trzech osi. Kąt wychylenia wyznaczany jest jako
całka prędkości w jednej osi. Pomiar kąta tą metodą jest obarczony błędem wynikającym z dryftu.
Dryft powoduje ciągle powolne narastanie wartości prędkości niezależnie od realnej prędk ości
obrotowej.

Aby wypracować dokładną wartość kąta wychylenia pojazdu zestawiono dane z obu czujników.
Ostateczna wartość kąta obliczana jest według następującego algorytmu:

Rysunek 4. Algorytm wyznaczania kąta estymowanego, ?GYRO - prędkość kątowa z żyroskopu, Tp - okres
próbkowania, KątACC - kąt wyznaczony z akcelometru, KątGYRO - kąt wyznaczony z żyroskopu, waga współczynnik wagi dla kąta z żyroskopu, KątEST - kąt pochylenia platformy

Kąt estymowany KątEST jest kluczowy, gdyż stanowi wartość wejściową układu sterowania
opisanego w kolejnym rozdziale.

System napędowy
Do napędu kół zastosowano dwa silniki szczotkowe prądu stałego z magnesami trwałymi.
Dane silników:
Moc
500W

Napięcie
36V

Prąd
17,8A

Prędkość obrotowa
2500 obr/min

Główną przyczyną wyboru takiego rodzaju napędów była prostota sterowania oraz niska cena.
Silniki sprzężone są z kołami poprzez przekładnię łańcuchową (przełożenie 7,8 : 1). Każdy
z silników zasilany jest indywidualnie poprzez przekształtniki tranzystorowe pracujące w układzie
mostkowym. Niezależne sterowanie napędami pozwala zrealizować w prosty sposób skręcanie
poprzez wymuszenie różnych prędkości obrotowych kół.
Pojazd zasilany jest z trzech żelowych akumulatorów o pojemności 14 Ah połąc zonych
szeregowo dając napięcie 36 V. Do zasilania części sterującej użyto przetwornicy obniżającej
napięcie.

Do budowy przekształtników wykorzystano tranzystory IGBT. Każdy z nich sterowany
jest poprzez oddzielny układ optodriver-a, zapewniający izolację galwaniczną pomiędzy
mikrokontrolerem

a

częścią

silnoprądową,

pozwalając

tym

samym

na

szybkie

załączenie/wyłączenie tranzystora. Dzięki temu, że mikrokontroler posiada w swojej strukturze
możliwość generacji sygnałów PWM z czasami martwymi stosowanie dodatkowych układów
nie było konieczne. Pomiędzy układem sterującym a optodriver-ami znajduje się układ watchdog-a
odłączający PWM w sytuacjach awaryjnych.

Rysunek 5. Płytka przekształtników wraz z kondensatorami, bez tranzystorów IGBT

Do sterowania tranzystorami w przeciwfazie wykorzystano metodę PWM (MSI) . Zbudowano
dwie wersje układu. W pierwszej regulator położenia bezpośrednio zadaje wypełnienie i jest to tak
zwany układ otwarty. Jego zaletą jest prostota działania, wadą natomiast brak kontroli prądów oraz
gorsza dynamika wynikająca z tego, że maksymalne wypełnienie musiało zostać ograniczone by
nie przekroczyć dopuszczalnych wartości prądów. W drugiej wersji regu lator położenia zadaje
wartość prądu dla dwóch oddzielnych regulatorów (dla każdego silnika). Do jego pomiaru
wykorzystano czujniki ACS712 z izolacją galwaniczną, działające na podstawie efektu Halla.
Zaletą tej metody jest pełna kontrola prądu (oraz momentu elektromagnetycznego), co zabezpiecza
układy półprzewodnikowe przed uszkodzeniem oraz zwiększa dynamikę (w porównaniu do układu
otwartego z ograniczeniem wypełnienia PWM tj. napięcia).

Konstrukcja mechaniczna
Konstrukcja mechaniczna miała stanowić kompromis pomiędzy maksymalną sztywnością
podwozia i niewielką masą. Z tego względu przestrzenna rama została w całości wykonana
ze spawanych blach aluminiowych o grubości 4 mm. Konstrukcja podwozia została podzielona
na przegrody umożliwiające łatwy montaż akumulatorów, silników elektrycznych oraz płytek
przekształtników energoelektronicznych. Podstawowym elementem ramy jest aluminiowa rura ?40

umieszczona tuż pod pomostem nośnym pojazdu. Tego typu konstrukcja umożliwiła maksymalne
obniżyć środka ciężkości pojazdu. Osie kół wykonano z toczonego pręta stalowego. Stalowe koła
firmy BICO zostały przerobione na potrzeby projektu, wyposażono je w łożysk a toczne kulowe
6201 oraz 6205. Koła zębate zostały połączone z piastami kół jezdnych za pomocą tarczy
zabierakowej. Do przekazania momentu użyto przekładni łańcuchowej.

Rysunek 6. Aluminiowa rama pojazdu

Kierownica pojazdu została w całości wykonana ze spawanych rur aluminiowych.
Przytwierdzono ją do podestu za pomocą dwóch łożysk kulkowyc h osadzonych w oprawkach
wykonanych z tworzywa sztucznego. W osi obrotu kierownicy umieszczono gumowy element
tłumiący, umożliwiający swobodny powrót kierownicy do pozycji wyjściowej. Konstrukcja
mocowania kierownicy zapewnia stabilne oparcie dla kierowcy podczas jazdy.

Faza testów

Złożoność projektu wymusiła na członkach zespołu opracowanie bezprzewodowej metody
zbierania informacji diagnostycznych. Członkowie koła naukowego wcześniej nie pracowali
z czujnikami typu MEMS, dlatego konieczna była ciągła analiza danych wysyłanych z sensorów.
Praca czujników wychylenia pojazdu ma kluczowy wpływ na działanie układy napędowego,
a tym samym na bezpieczeństwo kierowcy. Dodatkowo istotna była analiza prądów w układzie
silnoprądowym.
Jednym z założeń projektu była pełna mobilność transportera, dlatego do przesyłu danych
wybrano standard Bluetooth. Dzięki temu rozwiązaniu możliwy jest przesył danych między
pojazdem a stacją roboczą do 10 m (z możliwością zwiększenia zasięgu do 100m).
Zbieranie i wizualizację danych umożliwiło oprogramowanie LabVIEW firmy National
Instruments.

Rysunek 7. Program napisany w środowisku LabVIEW umożliwiający wyświetlanie i archiwizowanie danych
diagnostycznych w trybie on -line

Rysunek 8. Front panel programu LabVIEW pokazujący wartość kąta wychylenia pojazdu.

Dalszy rozwój projektu
Dzięki

wykorzystaniu

powszechnie

stosowanego

standardu

Bluetooth

(zwłaszcza

w urządzeniach mobilnych) możliwe jest rozbudowanie systemu komunikacji o łączność
z urządzeniem PDA lub smartphonemi. Bezprzewodowe połączenie transportera z urządzeniem
mobilnym umożliwiałoby przesył danych bez wyjmowania urządzenia z kieszeni kierowcy.
Odpowiednie

aplikację

wykorzystujące

bezprzewodowe

łącze

zapewniłyby

możliwość:

gromadzenia danych diagnostycznych pojazdu, monitorowania przejechanych tras, zabezpieczenia
pojazdu przed kradzieżą itp.

Istotnym problemem, który nie został jeszcze rozwiązany, jest kwestia ładowania baterii.
Docelowo pojazd ma być wyposażony w układ energoelektroniczny umożliwiający ładowanie
baterii z sieci 230VAC.
Transporter jest układem niestabilnym, dlatego też dalsze prace powinny rozwijać się w
kierunku poprawy bezpieczeństwa kierowcy. Niezbędne jest zapewnienie redundancji całego
układu sterowania gwarantującego wysoki stopień bezawaryjności.

Interesujący i niedrogi...
Podsumowując, stworzony transporter stanowi innowacyjne choć powszechnie znane
urządzenie transportu osobistego. Stworzony egzemplarz jest prototypem przeznaczonym jed ynie
na potrzeby dydaktyczne oraz promocyjne Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej.
Transporter powstał dzięki dofinansowaniu ze środków Wydziału E lektrycznego
Politechniki Białostockiej. Jak wiadomo tego typu pojazdy nie należą do tanich, S egway HT
w wersji terenowej kosztuje kilkadziesiąt tysięcy złotych. Całkowity koszt pojazdu zbudowanego
przez studentów koła naukowego to ok. 4 tys. zł, co dowodzi, że ciekawe studenckie projekty
można realizować stosunkowo niskim kosztem.

Rysunek 9. Student koła naukowego podczas jazdy testowej

Zespół pracujący przy projekcie pojazdu balansującego:

Bazylewicz Damian,
Borchert Adam,
Borkowski Kamil,
Falkowski Piotr,
Gryczewski Maciej,
Halicki Arkadiusz.
Cały zespół pracujący nad projektem pojazdu balansującego przekazuje podziękowania
Dziekanowi prof. Mirosławowi Świerczowi za sfinansowanie przedsięwzięcia oraz opiekunowi Koła
Naukowego dr Markowi Korzeniowskiemu za wsparcie merytoryczne.


Pobierz plik - link do postu