Sensoren für Balancing Roboter

[JanPet]

Hallo,

Ich plane momentan den Aufbau eines Balance Roboters, der auf 2 Rädern steht und sich ausbalancieren kann.

So stelle ich mir das Endprodukt vor:





Folgende Bauteile benötige ich (denke ich):

Mikrocontroller - Arduino Uno
Motoren - 2 x Getriebemotor EMG30
Beschleunigungssensor -?
Gyrosensor -?
Akku - ?
Controllerboard für Motoren - ?


Ich muss sagen das einlesen fällt mir total schwer und so habe ich jetzt auch schon meine erste Frage:

Zum Balancieren des Roboter benötige ich ja einen Gyrosensor und eines Beschleunigungssensor.
Diese sollen im Arduino mit dem Kalman-Filter verarbeitet werden. Dann erfolgt die Regelung mit PID.

Die Sensoren gibt es entweder einzeln zu kaufen oder als "IMU", dort sind beide Sensoren verbaut.


1) Hat ein IMU Nachteile gegenüber den einzelnen Sensoren ?
Da beide Bauteile in einem Gerät sitzen, wären die Sensoren ja dicht beieinander, wäre es nicht sinnvoller
den Beschleunigungssensor an die Drehachse des Roboters zu setzten und den Gyrosensor an den höchsten Punkt des Roboters?

2) In welchem Bereich sollen die Sensoren arbeiten?
-> also wie viel "g" beim Beschleunigungssensor und wie viel °/s beim Gyrosensor?
Habe ein IMU gefunden mit ADXL345 & IMU3000
das wären dann +-2g und +-250°/s
Nennt sich: IMU Fusion Board - ADXL345 & IMU3000

Wenn ihr weitere Angaben benötigt, werde ich diese sofort nachreichen.


gruß

[Che Guevara]

Hallo,

ein IMU hat IMHO keine Nachteile ggü. den einzelnen Sensoren, ich würde ihn sogar den einzelnen Sensoren vorziehen, da alles schon auf einer Platine untergebracht ist. Allerdings muss man sagen, dass die Preise für solche Sensoren schon etwas höher sind. Ich persönlich habe mir selbst ein IMU-Board gebaut, mittels eines BMA020 (ca. 7€) und einer Wii Motion Plus (ca. 20€). Ich denke nicht, dass du für sowenig Geld eine vergleichbare IMU bekommst. Ich bin vollkommen zufrieden damit und auch andere Projekte (z.b. WiiCopter) verwenden IMHO diese Sensoren.
Natürlich gibt es bessere, aber nicht für diesen Preis. Und ich denke, es sollte keine allzugroßen Unterschiede geben.
Die Wahl des Akkus kommt auf deine finanzielle Situation an. Lipos wären die beste Wahl, allerdings kosten diese auch dementsprechend. Für sie sprechen:
- kein Memory-Effekt
- hohe Energiedichte
Allerdings brauchst du dann auch noch ein LIPO-Ladegerät mit Balancer-Anschluss...

Gruß
Chris

[JanPet]

Hallo,

Erstmal danke für deine Antwort.

Den Roboter habe ich mir als Abschlussprojekt für meinen Techniker überlegt. Wir hatten bereits ein Projekt mit Arduino, allerdings eher niedriges
Niveau. Da da Abschlussprojekt ggf. von der Schule übernommen wird (und für mich sehr viel zählt), möchte sehr hochwertige Komponenten verbauen.
Also möchte ich in dieses Projekt auch etwas investieren! (Hat natürlich auch seine Grenzen...
Deshalb lasse ich mir momentan viel Zeit bei der Planung, um Fehleinkäufe zu vermeiden.

Ok über die Akkus werde ich mich dann noch weiter informieren, denke ich werde welche mit 12V nehmen, da meine Motoren mit 12 laufen.
Der Arduino verträgt ebenfalls 12V und an ihm kann ich dann 5V und 3.3V abgreifen für Sensoren & Co.

In welchem Bereich sollen die Gyrosensoren und Beschleuchnigungssensoren arbeiten?
Da steige ich einfach nicht durch.
Die Sensoren sollen natürlich recht schnell sein.
Das einzigste IMU das in Frage kommt hätte eben +-250°/s und +-2g

Bei enzelnen Produkten könnte ich auf
1) LPR510AL mit +-100°/s
2) z.B. MMA7361L mit +- 1.5g

Die Sensoren geben Analogwerte aus, eigentlich gut denke ich.

gruß

[Che Guevara]

Hm also wenn du eher hochwertige Komponenten verbauen möchtest, dann würde ich an deiner Stelle evtl. den IMU-Würfel von Willa (Shrediquette Thread) nachbauen.
Als Akku würde ich entweder 3S (11.1V) oder 4S (14.8V) Lipos werden. Diese haben sehr viel Energie klein und leicht (relativ) verpackt.
Die Bereiche der Sensoren kann ich dir nicht sagen, aber schau dir doch mal an, in welchen Bereichen andere gängige Sensoren arbeiten.

Die Sensoren sollen natürlich recht schnell sein

Was meinst du damit? Die Auslesegeschwindigkeit? Oder den max. Bereich? ...
Ob die Sensoren lieber Analog- oder Digitalwerte ausgeben sollen ist IMHO Geschmackssache Beides hat Vor-, aber auch Nachteile.

Gruß
Chris

[JanPet]

Ich meinte die Auslesegeschwindigkeit.
Bin mir nicht sicher wie schnell so ein Balance Roboter zu regeln ist. Wenn die Sensoren der langsamste Teil der Schaltung
wären, wäre dies sicherlich hinderlich.

Aber soweit ich das bisher in anderen Projekten gesehen habe werden diese Sensoren
oft verwendet. Bin schließlich nicht der erste der mit diesen Sensoren einen balance roboter bauen möchte.
Puuuhhh ich muss ehrlich gestehen das es mir am liebsten wäre auf fertige bauteile zurückzugreifen.
Großartige Fehler (auf die ich eher stoßen werde wenn ich selbst "dinge" nachbaue) kann ich mir auch zeitlich nicht
erlauben.

Also wenn ich den Akku 4S nehme, könnte ich mir die Spannung für die Motoren (12V) per Step-Down-Regler erzeugen, schätze ich
mal.

[Che Guevara]

Wenn du so einen IMU-Cube nicht selbst bauen möchtest, würde ich entweder auf eine fertige IMU oder auf die WMP + BMA020 zurückgfreien. Letzteres ist um einiges günstiger und funktioniert genauso. Ich benutze diese um meinen Quadrocopter (erfolgreich) zu regeln. Die Geschwindigkeit sollte also für deinen Bot kein Problem darstellen.
Auf den Step-Down-Regler kannst du verzichten, wenn du einfach die Motoren mittels PWM ansteuerst und diesen PWM-Wert auf einen Wert begrenzt, welcher 12V DC entspricht. Aufpassen musst du aber, wenn du Logik und Motoren mit dem gleichen Akku versorgst, dass die die Logikspannung nicht zusammenbricht. Entweder einen 2. Akku nehmen oder mit ein paar Kondensatoren (viele kleine sind besser als 1 großer) die Versorgungsspannung puffern.

Gruß
Chris

[JanPet]

Hi ich nochmal

Danke für deine Ratschläge bisher!
Habe mich nun für einen IMU entschieden (5DOF).
Ich denke ich werde mit 2 Akkus arbeiten. Einen als Versorgungsspannung von Arduino, Sensoren, usw.
Einen für die Motoren.
Als Akku nehme ich einen S3 nehmen. Den Arduino sollte man wegen der Verlustwärme wohl nicht
mit Spannungen >15V versorgen...

Gibt es Erfahrungen mit dem Entstören von Getriebemotoren, Sensoren usw?
Die Entstörung der Getriebemotoren habe ich mir bereits angeschaut (RN-Artikel).
Aber zu diesen IMUs finde ich immer nur die Datenblätter der einzelnen Sensoren
Dort werden immer RC-Glieder, Kondensatoren, Spulen usw. zum entstören verwendet.
Ist dies beim IMU genauso oder wird da vom Hersteller schon etwas "geholfen" ?

Der Motorstromkreis ist ja leider mit dem Steuerstromkreis verbunden, da vom Arduino PWM-Signale an den Motorcontroller
gesendet werden. Deshalb mache ich mir da so gedanken drüber

schönen Gruß

[SirRene]

Ich mache Grade eine Umschulung zum mechatroniker und interessiere mich für microcontroller. Habe vor mich mit den Thema auseinander zu setzten, da ich aber nicht irgendwas sinnloses bauen möchte habe ich mir den Balance bot ausgesucht. Ich habe die Möglichkeit über mein Ausbildungsbetrieb mir viele Teile über einen 3d Drucker zu drucken also geht es sich hauptsächlich über die e teile. LG Rene

[i_make_it]

Da beide Bauteile in einem Gerät sitzen, wären die Sensoren ja dicht beieinander,
wäre es nicht sinnvoller den Beschleunigungssensor an die Drehachse des Roboters zu setzen und den Gyrosensor an den höchsten Punkt des Roboters?

Das hört sich jetzt vermutlich sarkastisch an, aber da der Gyrosensor sagt wie groß die Abweichung von der senkrechten ist und der Beschleunigungssensor, wie schnell sich diese Abweichung ändert,
habe ich bei dieser Frage meine Zweifel ob Du Dich groß mit Kaplanfilter und PID Regelung befassen mußt.

Die Frage lässt den Rückschluß zu das ein grundlegendes Verständnissproblem der Physik im Bereich Mechanik besteht.


Mal eine Aufgabe die ich in der Schule in Physik in der 6. Klasse hatte.
Welcher der drei Punkte (A;B;C) wird bei Drehung der Graden (L) um den Koordinatenursprung (O), von Position (L1) zu Position (L2) der größten Beschleunigung ausgesetzt?

Die Antwort beantwortet Dir dann auch Deine Frage.
Das traurige ist, daß Du die Frage stellst wärend es um deine Abschlußarbeit geht und nicht im ersten Jahr der Technikerschule wo das Thema laut Lehrplan behandelt wurde.
Sprich wenn Ich von diesem Wissensdefizit bei den elementaren Grundlagen ausgehend darauf schließe mit welchem (nicht)wissen Du bei einem Arbeitgeber anfangen willst, hoffe ich daß Du keine Arbeit machen wirst von der Menschenleben abhängen.
Ich kann nur spekuliern ob die Schule versagt hat, oder Du wunderbar für Prüfungen lernen kannst ohne die Zusammenhänge wirklich verstanden zu haben.
Ich hoffe für Dich daß Du mit diesem Projekt diese Lücken schließen kannst.

[oberallgeier]

.. Aufbau eines Balance Roboters, der auf 2 Rädern steht und sich ausbalancieren kann ..
Zum Balancieren des Roboter benötige ich ja einen Gyrosensor und eines Beschleunigungssensor ..

Das geht natürlich auch einfacher (Warmduscher-Variante). Siehe mein Beispiel bei dem das MiniD0 einen Entfernungssensor (Sharp) auf einem Ausleger zum balancieren benutzt. Bei diesem Miniprojektchen hatte ich Einiges sehr einfach gelöst - so basiert die Regelung NUR auf dem gemessenen Abstand des Sensors zum Boden, siehe verlinktes Posting. Small is beautiful - sagt der gebildete Bastler.