Samobalansirajući mobilni robot – Tilter

 

Autori:

Tomislav Tomašić

Andrea Demetlika

- Samobalansirajući mobilni robot sastoji se od dva kotača zbog čega je njegova konstrukcija nestabilna te teži prevrtanju oko osi rotacije kotača
- upravlja se preko računala ili mobitelom
- interdisciplinarni projekt na kojem se susreću i integriraju strojarske, elektroničke, automatičarske i informatičke discipline
- Nagrade i priznanja: Rektorova nagrada, zlatne medalje na međunarodnom sajmu inovacija INOVA i INOVA mladi u Zagrebu, zlatna medalja i glavna nagrada za područje robotike na međunarodnom sajmu inovacija ARHIMED u Moskvi.

b_235_184_16777215_00_images_slike_clanci_01.png

 

Za razliku od klasičnih mobilnih robota, samobalansirajući mobilni robot se sastoji od dva kotača, što znači da je njegova konstrukcija sama po sebi nestabilna te teži prevrtanju oko osi rotacije kotača. Djelovanjem motora robot se pokreće u odgovarajući smjer i time vraća u uspravni položaj. Princip rada robota odgovara onome kod popularnog električnog vozila tvrtke Segway.
Realizacija ovog projekta obuhvaćala je rješavanje širokog spektra zadataka; projektiranje i izradu mehaničke konstrukcije i tiskane pločice, simulaciju matematičkog modela, implementaciju regulacijskog algoritma u mikrokontroler, realizaciju komunikacije robota s računalom i mobitelom, ... Zbog ove širine zadataka Tilter je iznimno interdisciplinarni projekt na kojem se susreću i integriraju strojarske, elektroničke, automatičarske i informatičke discipline. Pri tome je granice između pojedinih područja sve teže uočiti i upravo ih pojam mehatronike briše.
Samobalansirajući mobilni robot predstavlja odličnu platformu za projektiranje i ispitivanje naprednih regulacijskih i estimacijskih algoritama, te kao takav može se koristiti za daljnja znanstvena istraživanja.

 

Modeliranje i simulacija

Projekt je započet izradom matematičkog modela dinamike robota i motora, njegove linearizacije, i modeliranja u Simulinku. Kako bi se bolje mogla vizualizirati dinamika i stabilnost robota, napravljena je veza Simulink modela sa 3D modelom u Matlab-ovom alatu VRML. Da bi se na kotače djelovalo pravilnim iznosom momenta potrebna je točna informacija o trenutnom kutu nagiba. Ona se dobiva kombiniranjem zašumljenih izlaza senzora akcelerometra i žiroskopa pomoću Kalmanovog filtra. Kako bi se proučilo što više regulacijskih metoda, projektirano je nekoliko vrsta regulacije. Prvi je PID regulator koji regulira sustav samo po kutu nagiba robota, a glavni nedostatak je da ne regulira položaj. Dalje je izveden LQR regulator koji vrši regulaciju po kutu i po položaju, uz pretpostavku da su točno poznata sva stanja sustava. Nakon toga spajanjem LQR regulatora sa estimatorom stanja (Kalmanovim filtarom) dobiven je LQG regulator koji regulira sustav u kojem, uz robota i motore, postoji i žašumljeno djelovanje senzora. Osim navedenih napravljena je i regulacija neizrazitim (engl. fuzzy) regulatorom.

b_217_206_16777215_00_images_slike_clanci_02.gifb_217_205_16777215_00_images_slike_clanci_03.gif

Mehanička konstrukcija i elektronika

Robot je sastavljen od tri pleksiglas ploče međusobno spojene navojnim šipkama i odvojene cjevastim separatorima. Svaka ploča nosi jedan dio konstrukcije – na donjoj ploči nalaze se motori i motor kontroler, na srednjoj ploči nalazi se upravljačka pločica i bluetooth komunikacija, dok se na gornjoj ploči nalaze baterije. Za razliku od klasičnih robota gdje se radi stabilnosti težište postavlja što niže, kod ovog tipa robota težište se postavlja čim više. Time se postiže sporija dinamika gornjeg dijela u odnosu na donji dio, čime se robot lakše stabilizira. Svaki dio konstrukcije prvo je modeliran u CAD alatu SolidWorks, a kasnije i izrađen. Projektirane i izrađene su tri tiskane pločice, upravljačka pločica, pločica za bluetooth komunikaciju, te motor kontroler. Tiskane pločice projektirane su u alatu Altium Designer-u. Regulacijski algoritam, zajedno sa ostalim procesima, nalazi se u mikrokontroleru smještenom na upravljačkoj jedinici. Upravljačka jedinica preko PWM signala upravlja pločicom koja ima funkciju motor kontrolera, čime je odvojen energetski od upravljačkog dijela.

b_330_173_16777215_00_images_slike_clanci_13.jpg

Software

Upravljanje robota izvedeno je preko bluetooth komunikacije. Napravljena je mogućnost očitavanja telemetrije (kuta nagiba, kutne brzine, položaja, …) u realnom vremenu i upravljanja robotom koristeći komunikaciju između robota i računala preko C# aplikacije, te robota i mobitela preko Android aplikacije. U slučaju upravljanja robota mobitelom, nagibom mobitela u pojedinom smjeru robot se vozi u odgovarajuću stranu.

b_276_207_16777215_00_images_slike_clanci_tilter_viz2.jpg

Daljnji rad

Planira se dodavanje kamere i senzora daljine pomoću kojih se robot može samostalno orijentirati u prostoru, čime je omogućeno autonomno izvođenje složenih zadataka. Ovim projektom napravljena je lako proširiva i fleksibilna platforma koja, nakon dodavanja odgovarajućih elemenata, služi za proučavanje računalnog vida, modernih regulacijskih algoritama, autonomne robotike, te ostalih naprednih robotičarskih disciplina.

b_453_249_16777215_00_images_slike_clanci_tilter_viz1.jpg

Izbornik