Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Zweirad-Balancierer mit Gyro-Ratensensor
Hallo Leute,
wollte hier mal meinen Zweirad-Balancierer vorstellen. Basiert auf einem selbstgemachten Controller-Board mit ATMega16, einem Gyro-Ratensensor und einem Beschleunigungssensor. Interessant ist auch die Code-Implementierung mit einem Kalman-Filter. Details mit Fotos und Videos unter:
http://home.arcor.de/uffmann/ARTIST.htm (Link korrigiert)
Schreibt mal, was Ihr davon haltet.
Grüsse, uffi.
vklaffehn
02.06.2007, 22:50
Einfach das 'l' von html weglassen.. ;)
Günter49
03.06.2007, 11:10
Zum Roboter:
Bin beeindruckt! Besonders vom sehr ruhigen und stabilen Balancieren. Und als fischertechnik-Fan freut mich natürlich der klare und übersichtliche mechanische Aufbau aus fischertechnik-Teilen.
Zur Internetseite:
Sehr informativ. Leider wurde nur ein Teil der Bilder bei mir (firefox) angezeigt.
Gruß, Günter
Moin
Ich kann mich meine Vorredner eigentlcih nur anschließen.
Ich würde gerne mehr Details von der Konstruktion sehen, aber das geht wohl im Moment nicht.
Was das für ein Sensor ist und so wäre auch ganz interessant.
Andun
Vielen Dank für das nette Feedback, hat mich sehr gefreut!!!! O:)
The rate gyro is a CRS03-02 by Silicon Sensing / BAE Systems (bandwidth 10 Hz), see:
http://www.siliconsensing.com/
The datasheet of CRS03 can be found here:
http://www.siliconsensing.com/products/newdatasheets/CRS03.pdf
Oder meintet ihr das Accelerometer?
Freescale MMA2260D for x-axis and MMA1260D for z-axis with a bandwidth of 50Hz
@Günter49: Ja, fischertechnik ist schon Klasse. Du hast ja in Deinem Stairbot auch ein paar Teile verwendet, und an den Stellen machen sie auch echt Sinn. Ich finde den Stairbot sehr begeistungswürdig - toll.
@Andun: konntest Du mit den Infos zu den Sensoren und zur Konstruktion etwas anfangen? Oder was interessiert Dich noch?
@Alle: Bitte weiter posten, ich schaue noch rein.
@Uffi
da es funktioniert, hast du ja offensichtlich alles richtig gemacht.
Damit liegt es dann offensichtlich an mir, dass ich einen Teil der Beschreibung auf deiner Seite nicht ganz nachvollziehen kann ;-)
Im Teil "Calculating Tilt Angle from 2-Axis Accelerometer Data" rechnest du mit x und z. Wenn ich die Skizze richtig verstehe, ist der 2-Achsen-Beschleunigungssensor so angeordnet, dass die z-Achse gar nicht erfasst wird. Sie sollte ja eigentlich auch keine Rolle spielen.
Kann man in den angegebenen Formeln einfach z durch y ersetzen, oder habe ich da irgendwas gar nicht verstanden?
x und y stehen bei einem 2-Achsen-Sensor nach Skizze allerdings in festem Verhältnis. Wo ist dann der Vorteil beide Achsen (Sensorwerte) zur Berechnung zu verwenden?
In der ersten Formel unter der Skizze berechnest du dann mit a den Betrag der Beschleunigung in x-Richtung. Wenn man hier mit Messwerten für x und y rechnet, lässt sich meiner Meinung nach aber nicht unterscheiden, welcher Anteil von a durch die Neigung und welcher durch die Bewegung in x Richtung verursacht wird. Letztere geht ja in die Messung von x und y mit ein.
In den folgenden Formeln nimmst du dann die Beschleunigung mit dem Fehlbetrag durch die Neigung und die Neigung mit dem Fehlbetrag durch die Beschleunigung und errechnest daraus die Neigung.
Macht das so Sinn?
Oder müsste man die Beschleunigung in X-Achse über Radsensoren ermitteln und die Formelns sind nur ein Auszug aus den Berechnungen die du verlinkt hast?
Zu deinem eigenen Roboter hast du ja geschrieben, dass du den Fehler durch die Beschleunigung in X-Achse vernachlässigst und deine Rad-Encoder nicht verwendest und der kann ganz offensichtlich balancieren ;-)
@recycle:
Verwendung von y und z wahlweise ist eine Unsauberheit von mir. Die Zeichnung (mit x und y) habe ich aus einem anderen Paper kopiert, da ich zu faul war eine neue zu machen. In meinen Formeln meine ich mit z immer das y aus der Zeichnung. Ich mag z als Richtung in die Höhe lieber.
Der Sensor muß natürlich so angeordnet werden, daß die Richung nach vorne und hinten in Fahrtrichtung und nach oben bzw. unten zum Erdmittelpunkt erfasst wird. (Im aktuellen Robot ist das nicht der Fall, da wird ja auch nur die 1 Richtung ausgewertet).
Der Vorteil, beide Richtungen zu erfassen liegt dann darin, daß man den Fehler, der durch die Beschleunigung des Robots in Fahrtrichtung bei der Winkelbestimmung entsteht, herausrechnen kann.
Ich glaube nicht, dass man über Radencoder die Beschleunigung so fein zeitaufgelöst bestimmen kann. Man braucht ja für jede Messung, also in meinem Fall 120 mal pro Sekunde, einen aktualisierten Wert für die Beschleunigung, damit man den korrekten Winkel berechnen kann.
Bei der aktuellen Implementierung des Roboters wird ja nur 1 Achse gemessen. Der Fehler in der Winkelbestimmung (verursacht durch die Beschleunigung) wird hier durch den Kalman-Filter herausgemittelt.
Ich hoffe, dass es nun etwas klarer ist. Sorry für die Laxheit mit y und z.
Gruß, uffi.
Hallo uffi.
Dein Roboter gefällt mir außerordentlich gut. Auch der Aufzug auf deiner Homepage ist einen Blick wert! Super :)
mfg
µautonom
11.06.2007, 16:11
Hallo, uffi
ich sehe nur die Hälfte der Bilder auf deiner Homepage, liegst an mir?
Mfg
@µautonom:
An sich müßte man alle Bilder sehen, da die Auflösung der Bilder aber recht hoch ist, kann es bei einer nicht-DSL-Verbindung etwas länger dauern, bis alle geladen sind.
Welchen Internetexplorer nimmst Du denn, Firefox?
Dein Beitrag erscheint doppelt, nimm doch bitte eine Kopie raus (Löschen).
@uffi
Der Vorteil, beide Richtungen zu erfassen liegt dann darin, daß man den Fehler, der durch die Beschleunigung des Robots in Fahrtrichtung bei der Winkelbestimmung entsteht, herausrechnen kann
Genau das verstehe ich leider nicht.
Die x- und die y-Achse des Sensors stehen immer im 90 Grad Winkel zueinander.
D.h. die Messwerte für beide Achsen sind immer proportional zueinander und aus dem Messwert für die y-Achse kann man keine Infos entnehmen, die man nicht auch aus dem Messergebniss für die x-Achse errechnen könnte.
Wenn der Fehler durch die Beschleunigung in Fahrtrichtung im Messwert für die y-Achse nicht enthalten wäre, könnte man den Winkel ja gleich nur über die y-Achse ermitteln.
Ich glaube nicht, dass man über Radencoder die Beschleunigung so fein zeitaufgelöst bestimmen kann. Man braucht ja für jede Messung, also in meinem Fall 120 mal pro Sekunde, einen aktualisierten Wert für die Beschleunigung, damit man den korrekten Winkel berechnen kann.
Stimmt. Bei 120 Messwerten / Sekunde bräuchte man vermutlich einen Encoder der jede einzelne Umdrehung des Motors "vielstufig" auflösen kann.
Bei der aktuellen Implementierung des Roboters wird ja nur 1 Achse gemessen. Der Fehler in der Winkelbestimmung (verursacht durch die Beschleunigung) wird hier durch den Kalman-Filter herausgemittelt.
So wie ich mir das vorstelle, wird der Fehler durch die Beschleunigung in Fahrtrichtung durch die Messwerte des Gyros im Kalman-Filter unterdrückt, weil der Gyro die Beschleunigung ja nicht misst.
Ich kapier nur noch nicht so ganz, wie der Kalman Filter das macht - aber vielleicht steige ich da auch noch irgendwann hinter ;-)
Sorry für die Laxheit mit y und z.
Kein Problem, ich bin ja fast von alleine drauf gekommen ;-)
Mich interessierte hauptsächlich, inwieweit die verlinkten Berechnungen, bzw. die Formeln die du aufgeschrieben hast tatsächlich notwendig sind.
Wenn man sich zu dem Thema im Netz umsieht, findet man fast überall die Info, dass man mehrere Achsen messen muss, Rad-Encoder benötigt usw.
Rad-Encoder habe ich nicht, daher freut mich deine Bestätigung, dass es auch ohne geht.
Da ich den Vorteil beide Achsen zu messen nicht verstehe, freut mich hier auch, dass es offensichtlich auch mit nur einer funktioniert. Ich bin sozusagen auf der Suche nach der Minimalausstattung ;-)
Vielleicht finde ich ja nach fast 2 Jahren Pause doch noch mal die Zeit meine Versuche mit der Balanciererei zu entstauben und weiterzuführen ;-)
@recycle:
Zwar geht die Beschleunigung a in beide Meßwerte ein, aber nicht gleichermaßen, sondern auf der einen Achse mit dem Sinus des Kippwinkels und auf der anderen Achse mit dem Cosinus des Kippwinkels. Und für die Erdbeschleunigung g ist es genau umgekehrt. Daher kann man aus den trigonometrischen Beziehungen dann beide Unbekannte aus den beiden Gleichungen auch bestimmen.
Man kommt auf dem Rechenweg zu einem nichtlinearen Gleichungssystem, dass sich allerdings bis auf ein Vorzeichen vor der Wurzel eindeutig lösen läßt. Das unbekannte Vorzeichen ist das der Beschleunigung a.
Ich hoffe, ich hab es so anschaulich genug erklärt.
Bzgl. Kalman Filter hast Du recht. Aus der Beschleunigungsmessung werden im wesentlichen nur die Langzeitänderungen übernommen (um die Drift des Gyro zu eliminieren). Die Kurzzeitänderungen werden vom Gyro-Sensor genommen. Dadurch fallen die schnellen Schwankungen auf dem Beschleunigungssensor nicht ins Gewicht. Zeitlich gemittelt tritt ja keine (dauerhafte) Beschleunigung auf.
@raoul4: das freut mich wirklich, daß Dir der Balancierer und der Fahrstuhl gefallen. Danke für Dein nettes Feedback!!! O:)
Gruß, Dirk.
An sich müßte man alle Bilder sehen, da die Auflösung der Bilder aber recht hoch ist, kann es bei einer nicht-DSL-Verbindung etwas länger dauern, bis alle geladen sind.
Ich glaube das Problem liegt eher daran, dass die Seite (vom Quelltext) etwas zu "dynamisch" aufgebaut ist. Ich habe eine schnelle Verbindung, bei mir springen die Bilder, bzw. die ganze Seite trotzdem ständig im Browserfenster herum und werden manchmal nicht richtig angezeigt.
Welchen Internetexplorer nimmst Du denn, Firefox?
Ich glaube den Firefox als "Internetexplorer" zu bezeichnen würde die Entwickler ziemlich garstig machen ;-)
Der Firefox zeigt die Bilder aber tatsächlich nicht an.
Sieht so aus als sei die Seite mit Microsoft Office erstellt, da tun sich andere Browser als der Internet-Explorer schwer mit.
@recycler: Ja, die Seite wurde in der Tat mit word erstellt. Ich werde sie dann wohl nochmal mit phase5 überarbeiten.
@uffi
Zwar geht die Beschleunigung a in beide Meßwerte ein, aber nicht gleichermaßen, sondern auf der einen Achse mit dem Sinus des Kippwinkels und auf der anderen Achse mit dem Cosinus des Kippwinkels. Und für die Erdbeschleunigung g ist es genau umgekehrt. Daher kann man aus den trigonometrischen Beziehungen dann beide Unbekannte aus den beiden Gleichungen auch bestimmen.
Ja, aber der Kippwinkel geht ja auch auf der einen Achse mit dem Sinus und auf der anderen mit dem Cosinus ein, daher leuchtet mir das so noch immer nicht ein.
Ich hoffe, ich hab es so anschaulich genug erklärt.
Für mich brauchst du jedenfalls momentan nicht versuchen es noch anschaulicher zu erklären.
Ich muss mich erst mal irgendwann in Ruhe mit ner Formelsammlung hinsetzen und versuchen die Rechnung nachzuvollziehen, sonst werde ich das eh nie verstehen.
Dauert bei mir immer etwas länger mit der Mathematik ;-)
Ja der Balancierer Funktioniert :D , habe in am WE auf dem RN-Treffen sehen können.
Gruß
rideyourstyle
11.06.2007, 22:11
ach ja die geliebte berechnerei. könntest du nicht vielleicht eine deutsche version von dem kapitel software auf deier hp kurz erstellen. mein (und das vieler anderer hier??) englisch ist leider nicht so gut. ich habe zwar keine probleme damit ein datenblatt zu entziffern, aber tja...
auf jeden fall wäre ich dankbar dafür, damit ich deine berechnungen nachvollzeihen kann und vielleicht etwas ähnliche bauen!
ansonsten super ergebniss!!!
µautonom
12.06.2007, 09:12
@uffi
habe DSl 2000 benutze Firefox und wie kann man seine Beiträge löschen?
@µautonom: Der eine Deiner beiden identischen Beiträge wurde doch schon gelöscht. Wie es genau geht, habe ich auch noch nicht ausprobiert, aber ich würde es mit edit und löschen des Inhaltes versuchen.
@rideyourstyle: werde meine website überarbeiten und eine deutsche Version für das SW-Kapitel avisieren.
Danke an Alle für Eure Kommentare! O:)
rideyourstyle
13.06.2007, 17:00
super merci
werde wieder vorbei schauen...
BugHunter28
26.06.2007, 14:39
Grüß Gott,
sehr interessantes Projekt. Ich arbeite gerade an was ähnlichem. Zwar nichts Gleichgewicht haltendes, aber sich stabilisierendes.
Ich habe hier ein EVAl-Board von ST leigen mir einem 3-achsen MEMS Sensor, der neben der Beschleunigung auch Lageinformationen ausgeben kann. Das Board kostet auch nur 35€. Der Chip ist via SPI anteuerbar und in einem QFN-Gehäuse, was man noch so Löten kann.
Wen es interessiert: LIS3LV02DQ ist der Chip, das Board STEVAL-IFS001V1, unter www.st.com/factory-automation
Auch ein SMB 380 von Bosch verfügt über ähnliche features.
Happy times
BugHunter28
Hi uffi,
ich will mich zum Einstieg auch mal mit dem Kalmanfilter und der Korrektur von GyroWerten mit Beschleunigungssensoren beschäftigen, bevor ich mich daran mache ne QuadRotor Plattform zu bauen.... da klingt dein Projekt ja richtig interessant!
Deine Homepage ist wohl offline......? Hast du die schon woanders neu aufgesetzt?
Greetz, Felix
jo_robot
30.06.2007, 12:01
1. Bei mir Geht auch der neue link nicht.
2.
Welchen Internetexplorer nimmst Du denn, Firefox?
das heist nicht internetexplorer sondenr internet browser. Internet explorer ist so ein browser O:) ;)
@FelixR & jo_robot: meine web-site ist manchmal gegen Monatsende gesperrt wegen Traffic-Beschränkung. Ab dem 1. des Monats geht sie dann immer wieder.
@alle: Hab die Seite mit phase5 komplett überarbeitet, so dass auch Firefox und Mozilla damit kein Problem haben sollten.
Hallo Uffi,
zu Deinem Projekt muß ich sagen: Klasse!
Habe mehrere Projekte, die in diese Richtung gehen angeschaut, und Deines stich ganz klar hervor. Sehr durchdacht und sauber gemacht =D>
Habe mir das mal angeschaut und den Beitrag hier gelesen.
Den Gyro scheint man hier garnicht so einfach zu bekommen, stimmts? Und wenn, dann um die 300 Doller! Habe ich mich verschaut?
Gäbe es Alternativen (z.B. ADXRS300)? Könnte man den zügig integrieren?
Habe hier eine Servosteuerung liegen (die viel Leistung bringt), die bereits einen PID integriert hat. Angesteuert wird durch Inkrementalgeber am Motor und Vorgabe Richtung-/Schrittsignal bzw. weiterer Inkrementalgeber.
Könnte man den kompletten Baustein von Dir vorschalten und somit starke Motoren ansteuern?
Ginge das auch mit nur einem Rad/Antrieb, wenn das Umkippen in die nicht geregelte Richtung verhindert würde?
Viele Fragen auf einmal.
Ich hoffe, ich stehel nicht zu viel Deiner Zeit.
Dein Projekt hat mich auf jeden Fall gefangen genommen - weiter so!
Gruß
Markus
Hallo Jumpy,
vielen Dank für Dein Feedback! Hat mich sehr gefreut. Zu Deinen Fragen:
- Meiner Info nach kostet das Gyro 100 US$ (Angebot von Silicon Sensing). Ich habe das Gyro direkt von einem Mitarbeiter (Eric Whitley) der Fa. BAE Systems bzw. Silicon Sensing bekommen, den ich auf der Messe Elektronika 2006 in München kennengelernt habe. Mittlerweile wurde BAE System / Silicon Sensing aufgekauft und läuft unter dem neuen Namen Atlantic Inertial Systems, siehe:
www.atlanticinertialsystems.com
Man sollte aber auch ein anderes Gyro problemlos integrieren können. Wichtig ist, das es mindestens eine Grenzfrequenz von 10 Hz schafft, besser noch 20-30 Hz. Das Gyro von Silicon Sensing hat eine Analogspannung als Ausgangsgröße. Diese wird noch gefiltert. Man sollte halt die Specs mal vergleichen, wenn man einen Ersatztypen auswählt.
- Du kannst sicher auch Dein Servo-Controller-Board einsetzen und den Code auf irgendeinem µC implementieren. Die PID-Regelung Deines Servo-Controller ersetzt allerdings nicht die PID Regelung für den Gleichgewichtssinn, da hier als Eingangsgröße der Kippwinkel, die Winkelgeschwindigkeit und der integrierte Kippwinkel eingehen. Ich biete an, meinen Code und die Eagle-Dateien meiner Boards online zu stellen, wenn Ihr daran Interesse habt.
- Ja, das ganze geht auch mit einem Rad.
Gruß, uffi.
Hallo Uffi,
Gyro habe ich nachgeschaut (google), liegt zwischen 300 und 450 $. Irgendwas ist da falsch.
Auf Anfrage bei Silicon Sensing kam die Adresse von www.althen.de als Bezug zurück -> noch keine Antwort.
Die Alternativen wären ADXRS von Analog Devices (AD):
ADXRS150
150°/s
12mV/°/s
40Hz Bandbreite (3dB)
ADXRS300
300°/s
5mV/°/S
40Hz Bandbreite (3dB)
Preis liegt um die 70,- Euro bei z.B. Sander (da wären wir wieder bei den 100 $...inkl. Gehäuse und Kabelanschluss beim CRS03-02).
Ausgänge beides mal 0-5 v, 2,5V bei Ruhe.
http://wiki.atrox.at/index.php/ADXRS
Zur Schnittstelle Servocontroller und ARTIST:
was für ein Signal kommt denn beim Artist raus? Irgendeine PWM? Könnte man das verwenden um z.B. einen Inkrementalgeber zu emulieren. Dann wäre der Anschluss an den Servocontroller quasi plug and play?! Dein Board würde ich schon gerne erhalten und den Regler am Servo dafür brücken (quasi nur die Entstufe benutzen).
Es bleibt auf jeden Fall spannend :-)
Gruß, Markus
p.s.
es handelt sich um einen Servocontroller für CNC. Also kein Modellbauservo. Die Leistung wäre superinteressant, weil 30 A an 150 V gefahren werden könnten.
- die ADXRS scheinen mir geeignet zu sein, ich würde den ADXRS150 bevorzugen (im Regelbetrieb sollten nicht mehr als 150°/s auftreten).
- ja, ich steuere meine dc-Motoren mit PWM an, 120 Hz Grundfrequenz, 16 bit Auflösung.
- o.k. ich stelle die Boards online, gib mir bis Freitag, o.k.?
Gruß, uffi.
Uffi, danke für Deine schnellen Antworten. Dein Support ist genausogut, wie Dein Projekt, einfach gut.
Das mit den Boards online stellen (....Dein Board würde ich gerne erhalten...) habe ich garnicht so gemeint.
Mit dem Satz wollte ich ausdrücken ,dass ich Dein Board als Einheit gerne erhalten würde..und es nicht zerlegen/aufteilen möchte in PID Regler des Servocontrollers und Deine Sensoric. (Was auch garnicht so einfach ginge).
Wenn Du die Pläne wirklich onlinestellen möchtest, dann habe ich natürlich auch nichts dagegen.
Es kam Antwort von althen für den CRS03-02
Preis bei Abnahme 1Stk. um die 200,- Euro
ab 6 Stk. um die 130,- Euro
Das ist natürlich deutlich mehr, als z.B. die ADXRS (70€). So gern ich den CRS03-02 verwenden würde (Gehäuse, Kabel), so überzogen finde ich dennoch den Preis. Schade. Deine erwähnten 100 Dollar wären sofort akzeptabel. Habe dazu aber nichts gefunden.
Gruß
Markus
Probier mal, direkt von Silicon Sensing einen Quote zu bekommen:
Caroline Langmaid
Sales, Silicon Sensing
Tel : +44 (01752) 722326
Mob : +44 (07793) 423747
Fax : +44 (01752) 723331
caroline.langmaid@siliconsensing.com
www.siliconsensing.com
uffi.
Jumpy schrieb:
Auf Anfrage bei Silicon Sensing kam die Adresse von www.althen.de als Bezug zurück
Genau, von Frau Langmaid kam Folgendes:
Our products can be obtained in Germany from
Joachim Ditthardt
Althen Meß und Sensortechnik GmbH
gruß
Markus
@jumpy
dann such doch mal hier im Forum, ob schon irgendjemand herausgefunden hat, ob der 10Euro Gyro von Pollin etwas für deinen Zweck taugt:
http://www.pollin.de/shop/detail.php?pg=NQ==&a=Nzg5OTE4OTk=
Irgendwo hier im Forum gibt es mindestens einen Thread laut dem sich einige Leute das Ding gekauft haben.
Falls du den Thread findest, brauchst du mich allerdings nicht fragen ob er sich eignet. -)
Ich hatte leider immer noch keine Zeit ihn auszuprobieren
@recycle
danke für Deine Nachricht.
Das hört sich interessant an :-) Leider ist keine Bandbreite angegeben. Ansonsten könnte man bei 10,- wirklich mal probieren. Allzuviel erwarte ich allerdings auch nicht (genauso, wie die Leute im Thread; siehe Deinen Link).
@all
zur Kopplung Servocontroller - Artist.
Der Servocontroller verwendet eine PWM von 10bit (mittensymmetrisch).
Da ich in den uC mit PWM noch nicht ganz tief drinstecke:
ist das kompatibel mit der 16bit PWM vom Artist? Als Endstufe (H-Brücke) werden die IR2185 verwendet.
Hallo Leute,
für alle, die Interesse an den Details für ähnliche Projekte haben, habe ich nun alle meine Platinen-Designs (eagle) und auch die passende Software (in C) dazu online gestellt. Und zwar inkl. Kalman Filter Code Funktionen (die ursprünglich aus dem Autopilot-Projekt auf sourceforge.net stammten, siehe: http://autopilot.sourceforge.net/) und in zwei Nuts&Volts Artikeln mit dem BalanceBot veröffentlicht worden waren (aber nun nicht mehr zum download bereit stehen).
Eagle Board Designs siehe:
http://home.arcor.de/uffmann/ARTIST2.htm
Software (in C) siehe:
http://home.arcor.de/uffmann/ARTIST3.htm
Gruß, uffi.
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