Sensor für balancierenden 2-Rad Roboter

[Manf]

Noch mal kurz zur Überschrift Sensor für balancierenden 2-Rad Roboter:
Welche Reaktionsgeschwindigkeit des Sensors ist dafür nötig?
(Wenn der Sensor ein gedämpftes Resonanzverhalten hat, wie hoch muß seine Resonanzfrequenz sein?)
Wie kann die Anforderung bestimmt oder geschätzt werden?
Manfred

[Manf]

Welche Reaktionsgeschwindigkeit des Sensors ist dafür nötig? Wie kann die Anforderung bestimmt oder geschätzt werden?
Manfred

Es ging mir nicht um eine exakte Herleitung.

Beim Betrachten des Films http://homepage.mac.com/sigfpe/Robotics/equibot.html sieht man, dass die Regelschwingungen für das etwas größere Fahrzeug im Bereich von 2-4Hz liegen. Der Sensor sollte dafür seinen Wert in weniger als 1/3 Periodendauer liefern könen, also in ca. 100ms. Mit etwas mehr Sicherheitsabstand und bei kleinerem Fahrzeug dann vielleicht in 50ms.

Der Sharp-Entfernungsmesser liefert den aktuellen Messwert alle 40ms erkönnte also noch ganz gut und vor allem recht effizient die Neigung messen. Bei der Abstandsmessung zu einem in den Schraubstock eingespannten, mit um 2cm Amplitude vibrierenden Kuststofflineal, liefert er auch für im Bereich von 5-15Hz erfolgenden Abstandsänderungen nachvollziebare Werte. Er scheint damit für die Aufgabe geeignet zu sein.

Höhere Geschwindigkeitsanforderungen bei der Stabilisierung eines ASURO ließen sich auch durch die Vergrößerung des Trägheitsmoments kompensieren.
Manfred

[recycle]

@Manf

Der Sharp-Entfernungsmesser liefert den aktuellen Messwert alle 40ms erkönnte also noch ganz gut und vor allem recht effizient die Neigung messen. Bei der Abstandsmessung zu einem in den Schraubstock eingespannten, mit um 2cm Amplitude vibrierenden Kuststofflineal, liefert er auch für im Bereich von 5-15Hz erfolgenden Abstandsänderungen nachvollziebare Werte. Er scheint damit für die Aufgabe geeignet zu sein.

Und, bekommst du das mit dem Asuro hin?

Höhere Geschwindigkeitsanforderungen bei der Stabilisierung eines ASURO ließen sich auch durch die Vergrößerung des Trägheitsmoments kompensieren.

Ich habe mir aus einem kleinen Variogetriebe von Conrad, einem ATmega8 und einem Sharp-Sensor ein kleines Fahrgestell zusammengebastelt.
Da ich mal wieder ohne richtig nachzudenken drauflos geschraubt habe, ist das Ding vom Aufbau und Trägheitsmoment her wesentlich ungünstiger geraten als der Asuro.
Nach einem ersten Test habe ich aber den Eindruck, dass ich das Ding auch mit Optimierung vom Trägheitsmoment niemals ans stehen bekomme.

[Manf]

Wenn er ein ausreichend großes Trägheitsmoment hat, dann müsste es ja gehen.
Man kann ja mit einer Vergrößerung des Trägheitsmoments beginnen und gleichzeitig ergründen wie das Trägheitsmoment und die erforderliche Beschleunigung zusammenhängen.
Ich denke, dass man das große Versuchspendel aus den Artikel auch als starre Installation zur Vergrößerung des Trägheitsmoments auf den Asuro setzen kann (etwas kleiner eben).
Manfred

http://www.geology.smu.edu/~dpa-www/robo/nbot/

Rev 1. This began as an experiment to learn to control an inverted pendulum. I began with a three wheeled robot with a ball-bearing pivot used to attach a 3 foot wooden pole topped with an orange Nerf Ball. The pivot has a low-friction 5k potentiometer used for measuring the tilt angle of the pole. I moved the battery pack over the rear wheel to give more stability. Here is an mpeg movie (10 Meg) of the robot balancing the pole in my office. Here (3.3 Meg) is a shorter version, and here (3.7) is another.

Rev 2. After learning to balance the pole, the robot was re-built as a two-wheel version, with the battery mounted directly above the wheels. The ball-bearing pivot was attached to the bottom of the robot with a short aluminium feeler touching the floor. In this way the robot can sense it's angle to the floor and, assuming the floor is level, to gravity as well. The aluminium feeler has a teflon pad on the end to help it ride over cracks and joints in the floor.

Bild hier  

[Manf]

Ich habe mir das mit der Erhöhung des Trägheitsmoments noch mal angesehen. Für die Geschwindigkeit, mit der die Regelung wirken muss, ist das Trägheitsmoment um die Radachse ausschlaggebend.

Für das Gesamtgewicht und die nötigen Kräfte die Masse zu bewegen ist es nicht ohne Bedeutung, wie lang der nach oben gerichtete Ausleger und wie groß die Hilfsmasse ist.

Speziell für den Fall negativer Länge des nach oben gerichteten Auslegers habe ich wieder mal eine Studie gemacht, die den Erfolg nicht nur erahnen lässt sonder ihn geradezu schon vorwegnimmt.

Eine solche Anordnung wird helfen, das Trägheitsmoment des ASURO mit Ausleger zu messen und durch Bestimmung des Auslegers auch das Trägheitsmoment des ASURO alleine.
Manfred

Bild hier  

[michiE]

Hm, muss es ein Sensor sein ???
Ich denk de grad nämlich an den Kreisel...
ne ordentliche Schwungmasse an nem Motor, das Ganze paralell zum Boden ???
Das dann 2x in gegenläufige Richtungen drehend (1 Kreisel im Uhrzeigersinn, einer dagegen)
Dann müsstest du ne Stabilisierung haben, und trotzdem noch drehen können.

[Manf]

Das dann 2x in gegenläufige Richtungen drehend (1 Kreisel im Uhrzeigersinn, einer dagegen) Dann müsstest du ne Stabilisierung haben, und trotzdem noch drehen können.

Jeder Kreisel für sich wird eine Reaktion auf das Kippen zeigen.
Gegenläufige Kreisel entsprechend in entgegengesetzter Richtung.
Zusammen heben sie sich dann in der Wirkung auf.

Die Idee an sich finde ich aber gut.

Ich denke auch noch darüber nach, wie man einen möglichst einfachen Einstieg in das Balancieren finden kann. Siehe Bemerkung recycle "Und, bekommst du das mit dem Asuro hin? " Wie wahr: bis jetzt noch nicht, deshalb Suche ich ja noch.
Manfred

Ich habe aber da noch eine Idee, wie es etwas einfacher gehen müßte als mit dem großen Gewicht und Trägheitsmoment. ... \/

[Manf]

3. Vorstudie:
Zum Messen des Winkels kann man grundsätzlich einen Beschleunigungssensor einsetzen. Über die Beschleunigung muss man zweimal integrieren, um auf die Position oder den Winkel zu kommen.
Mit einem Drehratensensor ist nur die einfache Integration nötig.
Mit einem Abstandssensor auf dem Ausleger kann man den Winkel bei ebenem Boden direkt erfassen.

Ähnlich ist es auf der anderen Seite mit der Aktion zum Ausgleich der Lage. Nutzt man das Trägheitsmoment, dann ist die Aktion eine Beschleunigung mit der man ein Moment ausüben kann. In der Vorlage wurde das Trägheitsmoment vergrößert, um für den ersten Schritt die Regelung zu vereinfachen.
Will man nicht erst mit der Beschleunigung sondern schon mit der Geschwindigkeit den Winkel ausgleichen, dann kommt dafür ein Fächer in Frage mit dem man den Fahrtwind wirken lässt.

Die Winkelmessung von einen Ausleger aus zum Boden und die Steuerung des Winkels durch die Geschwindigkeit könnten damit der einfachste Einstieg in eine Lageregelung für einen ASURO auf zwei Rädern sein.
Manfred

Bild hier  

[recycle]

@Manf

Die Winkelmessung von einen Ausleger aus zum Boden und die Steuerung des Winkels durch die Geschwindigkeit könnten damit der einfachste Einstieg in eine Lageregelung für einen ASURO auf zwei Rädern sein.

Dein letztes Foto nur ohne den Fächer trifft ziemlich genau meine Fragestellung.
Die Position des Akkus, des Sensors und eventuell anderer vorhandener Bauteile zur Optimierung von Trägkeitsmoment und Winkelmessung zu verlagern ist OK.
Ein grosser Fächer, lange Ausleger mit Gewichten, Bleiplatten, rotierende Schwungscheiben, Stützräder usw. gehen etwas an der Fragestellung vorbei.
Einen Golf zum Formel 1 Wagen umzubauen umd die Strassenlage zu verbessern, oder ihn auf Matchbox-Grösse zu schrumpfen um den Spritverbrauch zu reduzieren ist glaube ich keine besonders sinnvole Tuningmassnahme - 1 kg Bohrfutter unten und 2 qm Fächer oben nicht so ganz das, was ich mir unter balancierendem Asuro vorstelle

Mich interessiert hauptsächlich, was man da prorammiertechnisch rausholen kann.
Der Equibot zeigt ja, dass es mit einem mechanisch relativ simplen Aufbau, einem Sharpsensor und einem ATMega möglich ist.

Ich habe mir auch ein kleines Fahrgestell mit ATMega und Sharpsensor zusammengeschraubt, habe aber nicht den Eindruck, dass ich das jemals in die Balance bekomme.
Als grössten Schwachpunkt sehe ich Motor und Getriebe. Die sehen bei mir etwas ähnlich aus wie beim Asuro - kleiner Motor und relativ grosse Plastikzahnräder.
Der Equibot verwendet Servos zum Antrieb, die haben normalerweise wesentlich weniger Spiel und reagieren viel exakter und schneller als mein Antrieb.

Im Prinzip läuft meine Frage also darauf hinaus, ob ich einfach nur zu doof bin das richtig zu programmieren, oder ob ich gar keine Chance habe mit meinem Aufbau ans Ziel zu kommen.

Wenn es mit den Asuro klappt, würde ich versuchen mein Fahrgestell auch irgendwie in die Balance zu programmieren.
Wenn es mit dem Asuro ohne aufwändige Zusatzmassnahmen nicht möglich ist, habe ich mit meinem Aufbau aber erst recht keine Chance, kann mir die Zeit sparen und erst mal ein besseres Fahrgestell bauen.

Letztendlich würde ich mir gerne ein etwas grösseres ausbaufähigeres Modell auf 2 Rädern bauen. Bevor ich viel Zeit und Geld für besseren Antrieb, stabileren Aufbau, Beschleunigungs-Sensoren usw. ausgebe, würde ich aber gerne abschätzen, wieviel vom mechanischen Aufbau abhängt und wievel man elektronisch, bzw. softwareseitig kompensieren kann.
Wenn es zu sehr auf mechanische Präzision ankommt kann ich mir das Vorhaben erfahrungsgemäß gleich abschminken
Wenn nachher jede zusätzliche Schraube und ein paar Gramm mehr Elektronik das Ding aus dem Gleichgewicht hauen, machts auch keinen Spass.

[FaXe]

Hallo!

Hab mir auch schon ein paar Gedanken zu diesem Thema gemacht. Hätte da eine Idee dazu. Ich würde das ganze einfach mal mit Quecksilberschalter (oder wie auch immer die Dinger heissen) probieren. Was haltet ihr davon?

Wenn der Bot jetzt beginnt zu kippen öffnet einer der Schalter und man kann darauf reagieren. Man müsste die Schalter nur im richtigen Winkel anbringen. Man hat dabei jedoch nur digitale Daten. Jedoch könnte man auch mehrere in verschiedenen Winkeln verbauen....

nun denn....

mfg FaXe