Segway-en egyensúlyozott inga tervezési és megvalósított folyamata

XXXI. OTDK, Műszaki Tudományi Szekció, 15A_Mechatronika tagozat

Helyezés: 2

Nevező intézmény: Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar

A pályamunka szerzője: Budai Csaba
Szak: Gépészeti modellezés MSc, Képzés típusa: MSc, Intézmény: Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Kar: Gépészmérnöki Kar


Témavezetők:
Dr. Stépán Gábor - egyetemi tanár, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar ,
Dr. Insperger Tamás - egyetemi docens, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar


A jelenlegi TDK munka az előző évben előadott "Kettős inverz inga egyensúlyozása" című TDK munka folytatása, amelyben a Segwayen egyensúlyozott inga mozgásegyenleteit írtuk fel, valamint a rendszerhez illesztett állapotszabályzás segítségével, a szabályozott rendszer stabilitási kritériumait vizsgáltuk mind analóg, mind pedig mintavételezett, időkésleltetett rendszer esetén.

A jelenlegi munka során, figyelembe véve a korábbi számításokból kapott kritériumokat, egy kísérleti berendezés tervezésével és kivitelezésével foglalkozunk. Megtervezzük a szerkezet geometriáját, megválasztjuk a szabályozáshoz szükséges érzékelő és beavatkozó szerveket. Előállítjuk a mérhető jelekből a szabályozáshoz szükséges jeleket és megtervezzük az ehhez szükséges feldolgozó elektronikát.

A szabályozás során a bemenő jelek az egyensúlyozott rúd, a Segway és a kerekek szöghelyzetei és szögsebességei, a kimenő jel a motorról a kerékre ható nyomaték. A szöghelyzetek meghatározásához két szögjeladót használunk, egyet a kerekek és a Segway, egyet a Segway és az inga relatív szöghelyzetének a meghatározásához. Mivel ezekből az adatokból nem lehet kinyerni a szabályozáshoz szükséges abszolút szögelfordulásokat, ezért a függőlegestől való eltérést a Segwayre és az ingára helyezett gyorsulásérzékelők segítségével határozzuk meg. Az egyensúlyozott rúd és a Segway szögsebességét giroszkóppal mérjük. A kerekek szögsebességét differenciálisan közelítjük az abszolút szögelfordulás jeléből.

A geometria tervezéséhez a szabályozó stabilitási kritériumát figyelembe vevő optimalizáló szoftvert készítettünk, amely segítségével az egyes paraméterek (pl. kerékátmérő, hosszméretek, tömegek, tehetetlenségi nyomatékok) előre becsülhetők. Így ezen adatok alapján kiválasztottuk a megfelelő alkatrészelemeket.

A bemenő jeleket egy Digital Signal Processor (DSP) segítségével dolgozzuk fel. A DSP működéséhez szükséges áramkör tartalmazza a DSP tápellátását, az érzékelőkből érkező jelek illesztését a processzorhoz, valamint a szabályozáshoz felhasznált jelek tárolását és a tárolt jelek számítógéphez való továbbítását.

Az egyensúlyozandó ingán történő méréshez megépítettünk egy mérőelektronikát, amely tartalmazza a szükséges szenzorokat, valamint a mért jelek megfelelő jelszint mellett történő illesztését a mikroprocesszorhoz.