Mono Wheel Bot

[vohopri]

Hallo,

den Thread hab ich leider erst jetzt entdeckt und durchgelesen. Saaagenhaft und viele schöne Details gibt es zu entdecken. Ich werds öfter durchlesen.

Vor wenigen Jahren hab ich bei einem Aktionstag von höheren Schulen auf der Strasse eine Präsentation gesehen. Die hatten ein zweirädriges Fahrzeug, das autonom balancierte und ferngesteuert gelenkt wurde. Ich kam aus dem Staunen nicht heraus. Die Radanordnung war in line, also wie beim Fahrrad. Das Fahrzeug lag flach auf dem Boden. Das Programm startete den Gyro, liess ihn hochfahren und mit Hilfe eines Servos, das den Gyro bewegte, richtete sich das Fahrzeug auf und blieb ganz ruhig ausgeregelt auch ohne Fahrt aufrecht. Das Konzept ist sicher auf ein Einrad übertragbar. Imo braucht es da zwei gegenäufige Kreisel, damit sich die Kräfte in einer Ebene aufheben, wenn in der anderen Ebene etwas bewirkt wird.

So stell ich mir das vor:
Also 2 Kreisel mit Achse quer (zur Fahrtrichtung) - gegenläufig. Die Achse des vorwärtslaufenden Kreisels wird um die Hochachse (Gierachse) nach links verdreht und gleichzeitig die Achse des rückwärtslaufenden nach rechts. Dadurch kippen beide Kreisel gemeinsam das Fahrzeug um die Längsachse (Rollachse) nach rechts. Die Reaktionskräfte um die Querachse (Nickachse) heben sich auf.

Nur wie die Regelung da Funktioniert, das ist mir nicht bekannt.

grüsse,
vohopri

[Klingon77]

hi,

die Wellen sind fertig gefräst, die Adapterscheiben gebohrt, Gewinde geschnitten, Madenschrauben M3 eingedreht.

Bild habe ich heute leider keines - wird nachgeliefert.

Nun stehen wir vor der Frage, welcher Servo?

In der angehängten Skizze habe ich mal die Maße und Gewicht eingetragen.

Bild hier  

Daraus errechne ich 33,75 Ncm (statisch).

Dynamisch sieht die Sache schon wieder anders aus.
Das kann ich nach nahezu 20 Jahren Abstinenz in der Berechnung bewegter Körper auch nicht mehr aus dem Stehgreif ausrechnen.

Wir möchten ja, daß die Gewichte sich schnell bewegen.
Sie sollen Impulse an das Mono-Wheel abgeben.
Je schneller die Bewegung, um so höher der abgegebene Impuls!

Leider habe ich nur am Rande Erfahrung mit Servos.

Die Servos sollen auch noch einige andere Kriterien erfüllen:

1) Die Bautiefe soll möglichst gering sein
(damit sie nicht so weit in das Radinnere hineinragen und die Durchsicht stören)
2) Der Servo soll kugelgelagert sein. Am besten doppelt.
3) Es soll ein metallenes (Alu) Ruderhorn oder Ruderscheibe (nennt man die so?) mitgeliefert werden.
4) Er soll bezahlbar bleiben.

Nun, soweit die Bitte um Hilfe an die "Servofraktion" und die Mathematiker unter euch.

liebe Grüße, Klingon77

PS: ich habe nun @recycle´s Vorschlag bezüglich der Darstellun von Attachment´s hier ausprobiert.
Ist das Bild einmal oder zweimal zu sehen?

[recycle]

PS: ich habe nun @recycle´s Vorschlag bezüglich der Darstellun von Attachment´s hier ausprobiert.
Ist das Bild einmal oder zweimal zu sehen?

Das Bild ist 2 mal zu sehen, einmal im Text und einmal im Anhang. Alles andere hätte mich auch gewundert.

Bei sehr vielen Bildern wird so ein Beitrag natürlich recht lang, wenn alle Bilder doppelt auftauchen.

Ich persönlich finde es aber spezial bei Skizzen mit Bemaßung und Beschreibung wesentlich übersichtlicher, wenn die Bilder direkt im Kontext stehen, als wenn man immer zwischen Text und Attachments rauf und runterscrollen und erraten muss welches Attachment (Bild) zu welcher Beschreibung im Text gehört.
Dafür nehme ich es gerne in Kauf, wenn ich am Ende des Beitrags ein bischen mehr scrollen muss um zum nächsten zu kommen.

Dabei kommt natürlich auch ein bischen auf die Art des Beitrags und der Bilder an.
Bei einem Zweizeiler macht es sicherlich keinen Sinn, wenn die Bilder einmal im Text und 2 Zeilen tiefer nochmal als Attachment auftauchen.

Wenn Beitrag und Bilder verständlich sind, ohne dass man beide im direkten Kontext sieht, würde ich die Bilder auch nicht unbedingt doppelt posten.

[HannoHupmann]

Tja ich fürchte die Antwort wird ebenso entäuschend wie kurz: Mit Servos aus dem Modell bau wirds nicht gehen. Bzw. nicht ganz so einfach. Kugelgelager, Metallruderhorn alles kein Problem nur diese Dinger sind aufgrund des internen Getriebes einfach von Natur aus etwas träge (kommt allerdings auf die Relation an). Wenn man einen findet der schnell reagiert (solche mags auch geben muss man halt mal Datenblätter wälzen) könnte es reichen.

Ich hab allerdings keine Ahnung wie schnell dein System regeln muss (die Servoreaktionszeit ist eine Sache, die µC berechnung eine andere). Und ich fürchte die Physik dahinter ist ausgewachsene Kinetik und die lässt sich leider nicht so einfach berechnen.

[Klingon77]

hi recycle,

Nochmals Danke für die Hilfe!

Ich werde dann die Bilder, wie sonst auch auf meiner HP (Dank an ACU) ablegen und von dort runterziehen.

hi HannoHupmann,
weil das Ganze mathematisch etwas in der Schwebe ist, haben wir variable Gewichte eingeplant.
Weiterhin können die Gewichte oben und unten gefahren werden.
Oben hat man ja einen ganz anderen Hebelarm als unten!

Wenn es mit den Servos nicht gehen sollte, müßten wir evtl. doch auf Schrittmotoren ausweichen.
Die sind kräftig und schnell.

Murdoc_mm wollte aber (aus nachvollziehbaren Gründen) lieber mit Servos arbeiten.

liebe Grüße, Klingon77

[oberallgeier]

Tja ich fürchte die Antwort ...
... ich fürchte die Physik dahinter ist ausgewachsene Kinetik und die lässt sich leider nicht so einfach berechnen.

Ach Mensch, es ist doch Weihnachtszeit - und da heisst es doch: "Fürchtet euch nicht ...".

Klar ist da Physik dahinter. Und mit Addition und Subtraktion ist da nix mehr zu machen, aber wer hat gesagt, dass es einfach ist oder sein soll?

Man KANN das alles rechnen. Man KANN aber auch abschätzen was wirklich wichtig ist - und dann spart man sich schon einiges. Aber dazu muss man dann doch etwas Physik im Kopf haben. Aber DU musst das doch eh nicht rechnen!?!?!?

[recycle]

Tja ich fürchte die Antwort wird ebenso entäuschend wie kurz: Mit Servos aus dem Modell bau wirds nicht gehen. ...
....
....Wenn man einen findet der schnell reagiert (solche mags auch geben muss man halt mal Datenblätter wälzen) könnte es reichen.

Könnte es sein, dass du heute etwas wankelmütig bist?
Dass man nicht jedes x-bliebige Servo verwenden kann sondern ein geeignetes finden muss dürfte Klingon77 bei seiner Fragestellung bereits im Hinterkopf gehabt haben.

Ich hab allerdings keine Ahnung wie schnell dein System regeln muss (die Servoreaktionszeit ist eine Sache, die µC berechnung eine andere). Und ich fürchte die Physik dahinter ist ausgewachsene Kinetik und die lässt sich leider nicht so einfach berechnen

Das war ja eigentlich schon vor Baubeginn klar. Da gab es aber noch keine Maße, Gewichte usw. mit denen man irgendwelche Gleichungen hätte füttern können um überhaupt irgendwas zu berechnen.

Der Workaround war, erst mal anzufangen und mechanisch möglichst viele Variationsmöglichkeiten offen zu halten.
Jetzt müssten eigentlich genug Daten für erste Berechnungen da sein, Frage ist nur, wer soetwas berechnen kann.

Beim Servo würde ich vermuten kräftigste das der Geldbeutel hergibt ist gerade gut genug.
Ob die Stellzeit so wichtig ist, bin ich mir gar nicht mal 100% sicher.
Menschen können ja auch ganz gut balancieren und haben auch relativ lange Reaktionszeiten.
Wir machen das eher mit der Masse und dafür käme es dann mehr auf die Kraft des Servos an.

@Klingon77

Wir möchten ja, daß die Gewichte sich schnell bewegen.
Sie sollen Impulse an das Mono-Wheel abgeben.
Je schneller die Bewegung, um so höher der abgegebene Impuls!

Hier habe ich wie schon öfter erwähnt immer noch den Verdacht, dass der Impuls in die entgegengesetzte Richtung wirkt.

Wenn du irgendwas nach links schubst, drückt dirch der Impuls nach rechts.
D.h. wenn das Rad nach rechts kippt, musst du Masse nach links verlagern um es wieder aufzurichten. Wenn du die Masse ruckartig nach links verlagerst, drückt der Impuls das Rad dann nicht erst mal nach rechts und kippt es damit noch weiter?

Ich befürchte das Konzept mit dem Impuls geht nur auf, wenn du ausschliesslich auf den Impuls und gar nicht auf den Effekt der Massenverlagerung setzt.
Dann müsste die bewegte Masse eigentlich eher möglichst gering sein, dafür aber sehr schnell (ruckartig) bewegt werden. (wie z.B. beim Rückschlag eines Gewehrs).
Ich glaube dafür wäre eine lineare Bewegung auch eher geeignet als die Kreisbewegung eines Pendels.

Daraus errechne ich 33,75 Ncm (statisch).

Gibt es bei Servos einen Unterschied zwischen statischem und dynamischen Drehmoment? Ich glaube eigentlich nicht.

Bei Conrad gibt es für 10 Euro ein Servo, das lazut angabe 65 Ncm Stellkraft hat.
http://www.conrad.de/goto.php?artikel=227258

Das erfordert zwar nicht die Anforderungen an Metallgetriebe, Metall-Servohorn usw., aber vielleicht sollte man die 10 Euro mal für ein paar Versuche riskieren um überhaupt ein Gefühl für die Sache zu bekommen.

[Gobstar]

Hi, spart nicht am falschen Ende, jetzt steckt so viel Arbeit drin, da nimmt man nicht einfach Servos...Hol dir im Ebay die con der cncecke bekannten Elektrocraft Servos mit vernünfftigen encodern um auch eine Dynamik da reinzubringen und genügend Kraft zu haben. Zur not gibts auch kleinere Getriebemotoren mit encodern, aber Servos halte ich nicht für genau, schnell und kräftig genug..


Gruss Stefan

[HannoHupmann]

@Gobstar kannst du deinen Vorschlag bitte so beschreiben, dass man auch was findet bei Ebay? Ein Servos ist doch relativ genau und im high End Segment (ab 30€ aufwärts) auch von den Werten her überzeugend(Auflösung 0,7° und 120ms für 180° ist an und für sich nicht schlecht bei teureren Servos sind vielleicht noch bessere Werte zu erzielen). Die Industrie wird auch nicht mehr ausgeben als der ambitionierte Modellbaufan (ich sag nur HiTec TitanServos HSR-5990TG für 140€).

@recyle die 33,75Ncm für statisch halte ich den falchen Weg ihr versucht doch ein instabiles System stabil zu bekommen, das muss dynamisch gerechnet werden (zuminderst gehen z.Z. bei mir alle Versuche schief ein dynamisches System statisch zu rechnen in den Kinematikvorlesungen).
Du hast es auch schon erwähnt, so einfach können Gewichte nicht verlagert werden und ich wiederspreche dir in dem Punkt, dass der Mensch nur sehr langsam regelt. Deine Reaktionszeiten sind sehr viel Schneller im Bezug auf Gleichgewicht (deswegen fallen wir auch selten um) nur bekommst du das nicht mit da es von deinem autonomen Nervensystem übernommen wird.

Zum testen ist ein 10€ Servo sicher nicht verkehrt aber für lange Zeit reicht er sicher nicht.
Eine Rückgekoppelte Regelsteuerung werdet ihr aber allemal brauche.
Hier wagt man sich einfach in Bereich vor die nicht mehr ganz so trivial in der Physik sind wie es auf den ersten Blick wirkt. Aber vermutlich ist es effizienter einfach zu testen, statt zu rechnen, da machen euch viel zu viele Randeffekte die überlegungen kaputt.

[Klingon77]

hi,

komme gerade sehr müde vom Nachtdienst.

Möchte aber trotzdem kurz antworten.

Impulse:
Das Gleichgewicht und die Lenkung kann durch "langsame" Gewichtsverlagerung geschehen oder durch rasche Impulse.

Impuls ist klar --> Der "Schuß" geht sprichwörtlich nach hinten los.

Was aber auch geht (wenn man rasche Lenkbewegungen braucht) ist die; ich nenne es mal so:

"Impulslenkung" nach @oberallgeier

Er hat sich dafür mächtig ins Zeug gelegt und das Ganze vorher schon mal beschrieben.

Ich versuche mal die Kurzform:
1) Das Rad fährt in eine Richtung mit konstanter Geschwindigkeit
2) Die Pendelgewichte lenken beide möglichst schnell in unterschiedliche Richtungen (eines links; das andere rechts)
3) Ein Drehimpuls um die Hochachse des Rades wird gesetzt.
4) Es dreht sich also bei vorgegebener Vorwärtsgeschwindigkeit z.B: nach links
5) Durch die Bodenhaftung des Reifens bewirkt die linksdrehung ein Kippen des Rades nach rechts weil der Richtungsvektor nicht verändert wurde.
6) Die Rechtskurve ist eingeleitet.

Natürlich könnte man auch lenken, wenn man beide Gewichte "langsam" auf eine Seite verfährt. Mit möglichst kleinem Impuls.
Dabei darf man aber nicht vergessen, daß das Rad während der Auslenkung und der Zeit, die es durch die Trägheit der Masse zum Kippen benötigt immer noch geradeaus fährt!

Man muß testen - aber beide Möglichkeiten können ausprobiert werden.
Dazu noch mit Gewichten unten oder oben (Hebelarmlänge zum Aufsetzpunkt am Boden)
Und mit unterschiedlichen Gewichten.

Wir sind also variabel.

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Die Angabe der statischen Belastung von 33,75 Ncm bezieht sich auf die Minimalanforderung an den Servo!
Dies ist die Kraft, die er ohne Reibung benötigt um das vorhergesehene Maximalgewicht aus der Senkrechten in die Waagerechte zu bringen.

Um dies nun in einer bestimmten Zeit zu tun bedarf es mit Sicherheit sehr viel mehr an Kraft.
Eben dies kann ich nicht berechnen. Da liegt mein Manko.
Es ist halt schon einige Jahre her und ich habe es seit dem nie mehr benötigt!

Der zweite Aspekt ist die Lagerung im Servo.
Diese muß ja die auftretende Kraft aufnehmen können.
Wir haben ja nur ein Lager in der Strebe. Das zeite Lager sollte durch den Servo gebildet werden.
Wir haben uns dazu entschieden, um zu vermeiden daß der Servo durch die längere Bauweise mit einem zweiten Lager weiter in das Rad ragt und die Optik stört.


Wenn "alle Stricke reißen" und wir keinen geeigneten Servo finden, der die oben aufgeführten Spezifikationen erfüllt könnten wir immer noch auf Schrittmotoren umsteigen.

Wie bereits geschrieben:
Schnell, kraftvoll, günstig.

liebe Grüße und Gute Nacht,

Klingon77