Implementando controle PID no self-balancing robot...

Começamos a implementar um controle PID no nosso self-balancing robot....
De inicio testamos com apenas um motor e funcionou, agora falta incluir o outro motor e testar o trabalhoso robô, perdemos muito tempo no sensor giroscópio, no MMA7361 foi tudo mais tranks....rs
Baixamos a biblioteca PID do site Arduíno e estamos por enquanto estudando o código básico...

Uma breve definição de PID:

 

PROPORCIONAL: AMPLITUDE DE CORREÇÃO É PROPORCIONAL A AMPLITUDE DO DESVIO. (GANHO DE CORREÇÃO É PROPORCIONAL AO ERRO)

 

INTERGRAL: VELOCIDADE DE CORREÇÃO É PROPORCIONAL A AMPLITUDE DE DESVIO. (QUANTO MAIOR O ERRO MAIOR MAIS RÁPIDA  INTEGRAÇÃO)

 

DERIVATIVO: VELOCIDADE DE CORREÇÃO É PROPORCIONAL A VELOCIDADE DO DESVIO  (antecipativo)

 

Substituição de sensor giroscópio para acelerometro MMA 7361

Estavamos tendo muitos problemas com o sensor giroscópio L3G4200, nosso codigo mostrava o angulo de inclinação, mas estava perdendo a referencia do ponto inicial (Zero) e com isso o segway não se equilibraria.

Mas não desistimos, pesquisamos e encontramos um sensor acelerometro MMA 7361 muito utilizado em projetos de equilibrio e confiável. O codigo também mostra seu valor em angulo e não perde a referencia por ser um sensor analógico, diferente do L3g4200 que é por comunicação I²C, muito mais complexa, onde, ficamos muito atrelado com o Datasheet do sensor que se refere à endereços para se obter o valor de leitura do sensor.

Ainda mantemos a ponte H para controle do motor e estamos testando outro motor muito mais preciso e com pouca folga, sua velocidade é de no máximo 300RPM e tensão até 12Vdc também.

Abaixo fotos do sensor acelerometro MMA 7361.

Testes - Acionando um motor com sensor giroscópio

Iniciamos a programação no Arduíno, utilizando o sensor giroscópio, uma ponte H e um motor 12Vdc.

O sensor giroscópio se comunica através de uma interface digital I²C e alimentado com 3,3Vdc do Arduíno.

A ponte H tem uma alimentação da parte lógica de 5Vdc (comando) que vem do Arduíno, e dois fios de enable Forward e Reverse, também é alimentado com 12Vdc (potência) para o motor.

O funcionamento esta relacionado ao segway, conforme movimentamos o sensor para frente (eixo X) o motor gira para frente e movimentando o sensor para trás o motor gira para trás, buscando sempre se manter equlibrado.

Abaixo fotos e video do teste.

VIDEO DO TESTE

Componentes do projeto - Motores e bateria

Bom, como decidimos primeiramente desenvolver um mini-protótipo de um segway (veiculo de equilíbrio), utilizaremos baterias simples de 9Vdc e 2 mini-motoredutores DC, abaixo na figura.
Também iniciamos alguns testes com o arduino e faremos um curso de programação em arduino na semana que vem na faculdade, para aprimorar o pouco conhecimento que ainda temos em Linguagem C++.

                                                          Motoredutores DC 

Inicialmente esta é a base que iremos desenvolver o veiculo

Componentes do projeto - Microcontroladores

Pesquisamos muito para definir qual microcotrolador iremos utilizar no projeto/protótipo. Acabamos por escolher um cara recente no mercado, a plataforma Arduino.

O Arduino esta sendo muito utilizado em faculdades e projetos de garagem, por ser muito pratico.

A escolha foi da plataforma Arduino Mega 2560, por ter muitas portas, um tamanho pequeno e otima velocidade.

O arduino mega 2560 trabalha com o ATmega 1280 e com programação linguagem C++.

Sabemos que o segway possui 10 microcontroladores, mas vamos chegar bem perto de um desses usando apenas 1...hehee

Abaixo uma foto do que compramos no mercado livre...

Ainda estamos fazendo testes com o arduino para compreende-lo melhor, abaixo fotos de alguns testes simples e do grupo no laboratório da faculdade...

Componentes do projeto - Sensores

Voltando depois de um tempinho offline, estávamos desenvolvendo o relatório do TCC parte 1...

Vamos falar um pouquinho dos sensores que o segway utiliza (provavelmente) e relacionar os que nós vamos utilizar no protótipo.

• O segway utiliza 5 sensores giroscópio, onde, 3 deles são redundantes, utiliza também 2  acelerômetros. Esses são para o sistema de controle de estabilidade, ou seja, os que fazem o segway se auto-equilibrar.
• Utiliza sensores de pressão na plataforma que indica para o sistema que o operador já subiu, ou seja, já pode iniciar a estabilização (liga).
• Utiliza sensores de posição como o encoder, para se ter um feedback dos motores.

No nosso protótipo vamos utilizar apenas 1 sensor giroscopio, 1 sensor acelerômetro e talvez encoders para os motores. Por enquanto já compramos no mercado livre esses sensores:

• Giroscópio L3G4200D

Este sensor na figura abaixo, é dotado da tecnologia MEMS (Micro sistema eletromecânicos), mede e transmite seu sinal em taxa angular por uma interface digital IC (I2C/SPI).

São muito utilizados em aeronaves, aeroespacial, navios, segway, etc...

• Acelerômetro + Magnetômetro LSM303DLM

Este sensor é combinado acelerômetro e magnetômetro, iremos utilizar apenas o acelerômetro. Ele mede as variações de velocidade/aceleração através de impacto, e vibração, são do tipo inercial, mede o deslocamento da massa proporcionalmente à aceleração aplicada, sua saida é de interface digital IC e também possui tecnologia MEMS.

São muito utilizados em celulares, tablets, cameras, notebooks, airbag de automóveis e no segway.

• Encoder - Incremental e Absoluto/Analógico (não esta definido qual comprar)

Encoder, em automação industrial, é um dispositivo eletromecânico que conta ou reproduz pulsos elétricos a partir do movimento rotacional de seu eixo. Pode ser definido também como um transdutor de posição angular.

• O encoder absoluto/analógico é utilizado mais para posição, pois a saída é analógica de acordo com a posição que ele se encontra, um exemplo é o angular, que dependendo do ângulo que o encoder se encontra a saída varia de 4 a 20mA. 
• O incremental é utilizado para indicar sentido, posição e medir velocidade, pois a saída desse encoder é uma saída de pulsos defasada de 90 graus e que fornece o sentido que o encoder esta girando. 

Para fechar a malha de controle, esse cara vai ser muito interessante...

O sensor de pressão não iremos utilizar, pelo menos é oque temos em mente.

Tecnologia e Funcionamento do segway

O Segway PT é um meio de transporte de duas rodas que funciona a partir do equilíbrio do indivíduo que o utiliza, inventado por Dean Kamen e revelado em Dezembro de 2001. A tecnologia existente nos Segway PT, consiste numa inteligente rede de sensores, mecanismos e sistemas de controle, que permite ao Segway PT o auto-equilíbrio e deslocar-se em duas rodas. No momento em que se coloca em cima de um Segway PT, 5 micro-giroscópios e 2 acelerometros, estudam as mudanças no terreno e a posição do seu corpo, a uma velocidade de 100 vezes por segundo - mais rápido que a mente humana.

Para que o Segway PT avance, o indivíduo só precisa de se inclinar para a frente e para que recue é necessária a inclinação para trás. Para virar, basta oscilar o braço central para o lado pretendido. Esta tecnologia é denominada de LeanSteer.

É elétrico, e utiliza duas baterias Li-ion, que lhe permitem uma autonomia de cerca de 35 quilômetros e uma velocidade máxima de 20 km/h. A carga total é de 8-10h e representa apenas um kilowatt. A sua utilização é vocacionada para a mobilidade urbana, onde poderá representar uma redução de entre 71 a 93% de emissões de gás carbônico em comparação a qualquer veiculo motorizado, ou híbrido. O seu custo inicial será amortizado pela sua utilização como substituto do automóvel.

O nome Segway PT é propriedade de Segway Inc.

Video legal de um role com o segway...