Beschleunigungssensor ADXL 202 JQC

Ich möchte hier den Beschleunigungssensor ADXL 202 JQC diskutieren, von dem ich zwei Muster erhalten habe, vielen Dank noch mal dafür.

Wenn früher schon von SMD Schaltungen die Rede war ging es häufig auch um die Frage, wie die Anschlüsse kontaktiert werden. Um erst mal mit einem Steckbrett anzufangen habe ich die Schaltung mit allen 14 Pins an eine "Präzisionsfassung" angeschlossen die ins 1/10 Zoll Steckbrett passt.

Dazu habe ich Drähte aus einem Netzkabel mit 21x0,17 (also dünne Drahtstückchen) gut verzinnt und über den Baustein gelegt, nach unten abgewinkelt und jeweils an zwei gegenüberliegenden Pins (1,14) (2,13) ... angelötet. Nach der Lötverbindung mit der Fassung wurden die Drähte oben durchtrennt so waren die Drähte beim Löten einigermaßen stabil.

Bild hier  

Die Beschreibung des Bausteins ist ja im Datenblatt.
http://www.androidworld.com/ADXL202E_a.pdf
Single power supply 5V, 3 externe Komponenten ein Widerstand (R=125k – 1M für 1kHz und tiefer) für die Messrate und PWM Frequenz, und zwei Kondensatoren (C=1nF-500nF) für die Filterung des Rauschens und damit für Grenzfrequenz der x- und y- Beschleunigung (in der Bausteinebene).

Wenn man wie vorgeschlagen die Pins (13) und (14) für Ub sowie (4) und (7) für Masse verbindet dann gibt es noch den Selfttest (3) der frei bleiben kann. Und es bleiben:

extern
(4) (7) Masse
(13) (14) Ub
(10) Ausgang x
(9) Ausagng y

intern (gegen Masse)
(5) R
(12) Cx
(11) Cy

Man kann die Signale hochohmig als Spannungen an den Kondensatoren abgreifen, oder eben an den Ausgängen als Tastverhältnis.
Die Schaltung verbraucht nur etwa 1mA.

Auf dem Steckbrett hat die Schaltung an den Kondensatoren und an den PWM Ausgängen schon eine Reaktion auf Kippen in der Ebene und auf Klopfen an das Steckbrett gezeigt. Mal sehen was noch so geht.

Manfred

Hallo Manfred!

Wo hast du diese zwei Muster denn her? Ich interessiere mich auch brennend für die Dinger aber 45€ für zehn bei Ebay und 50€ für einen bei Conrad ist mir dann doch ein bisschen viel. Ein oder zwei rechen zum experimentieren völlig.

Grüße,
Jonas

Hi Manf, ist das Teil des "Balacnierender Roboter" Projekts?
Ich habe eine kleine Verständnissfrage, der ADXL erkennt, wenn ich das richtig verstehe, eine Schräglage nicht als solche, sondern gibt nur veränderungen der Lage als "Stromimpuls" aus. Würde ich ihn also ein wenig kippen, würde (während des Kippens) der PWM mir eine höhere Spannung ausgeben, oder?
Wäre es nicht vielleicht sinnvoll, den Chip mit etwas Heißkleber zu fixieren, bevor man mal ausversehen 2 der Drähte zusammendrückt und einen Kurzschluss provoziert?

Zitat:

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Zitat von vish

Wo hast du diese zwei Muster denn her? Ich interessiere mich auch brennend für die Dinger aber 45€ für zehn bei Ebay und 50€ für einen bei Conrad ist mir dann doch ein bisschen viel. Ein oder zwei rechen zum experimentieren völlig.

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Ich gebe das mal weiter.
Manfred

Zitat:

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Zitat von RCO

ist das Teil des "Balacnierender Roboter" Projekts?

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Eher allgemeine Grundlage für auch die folgende Frage

Zitat:

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Zitat von RCO

der ADXL erkennt, wenn ich das richtig verstehe, eine Schräglage nicht als solche,

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Doch das ist wichtig. Ein Beschleunigungssensor mißt die Beschleunigung und auch die Erdbeschleunigung und auch ihren Anteil beim Kippen um weniger als 90°.

Zitat:

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Zitat von RCO

Wäre es nicht vielleicht sinnvoll, den Chip mit etwas Heißkleber zu fixieren, bevor man mal ausversehen 2 der Drähte zusammendrückt und einen Kurzschluss provoziert?

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Das ist richtig. Ich wollte nur mal schnell die Schaltung testen. Für die weiteren Versuche werde ich die Schaltung minimieren. Die Kondensatoren und den Widerstand vor die Fassung setzen und wenger Anschlüsse herausführen.
Manfred

Das Thema günstige Beschaffung ist auch sehr wichtig, ich habe es mal in einen getrennten Thread geschoben.
https://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=8573


Nochmal zum Anschluß des ADXL mit seinen 14 Beinen.

Mit zwei SMD Kondensatoren 220nF und einem 330kOhm Widerstand hat man die Beschaltung an den Baustein gebracht und kann das Ganzeauf eine 8Pin Dip Fassung moniteren.

Die Dahtstärke ist hierbei 0,4mm, die geht am besten in die Fassung und ist auch stabil. Die NC-Pins (Pin 1, Pin 8 am SMD) kann man auch zur mechanischen Befestigung mitbenutzen. In der Fassung habe ich es zur bessern Stabilität trotzdem noch gelötet.

Für Drahtverbindungen unter dem IC kann man beispielseise den 0,17mm Litzen-Einzeldraht nehmen und mit Bohrmaschine und eingespanntem Winkel-Imbusschlüssel 1,5mm kleine Schlaufen für SMD Beinchen bilden. Auf diese Weise erreicht man ein Fixieren der Drähte vor dem Löten und damit ein sicheres Arbeiten.

Den verdrillten Daht kann man auch in ein Stückchen Isolationsschlauch von einer dünneren (Litze 18x0,1) stecken.

Ganz schön sieht die Schaltung vielleicht nicht aus aber sie ist stabil und sicher und vor allem ohne viel Nachlöten aufgebaut worden.
Manfred

Bild hier  

Jetzt also zu einem Einsatzfall für den Beschleunigungssensor.

Das interessante an einem Beschleunigungssensor ist ja, dass er auf die Erdbeschleunigung reagiert und auf die Beschleunigung die er durch Bewegung erfährt. Die Betrachtung der Kombination der beiden Fälle wird leicht etwas ungewohnt.

Im Bild sind 3 Beschleunigungsverläufe aufgetragen. Die Verläufe ergeben sich bei der Anbringung des Sensors an einem Lineal. Das 30cm Kunststofflineal, ist an einer durch seine Bohrung gesteckte Achse aufgehängt und wird jeweils um einen festen Winkel (ca.20°) ausgelenkt und zum freien Pendeln losgelassen.

Man erkennt in jedem der drei Bilder eine gedämpfte Schwingung mit einer Periodendauer von, naja da gibt es leichte Unterschiede, die Grundschwingung liegt bei knapp einer Sekunde.

Klar zu erkennen ist zunächst einmal die Auslenkung am Anfang. Es ist ein tiefer Wert, der sich deutlich vom Endwert oder Mittelwert der Schwingung unterscheidet.

Dann wird das Lineal losgelassen und die Schwingung beginnt.
Manfred

Bild hier  

NIcht schlecht, der ADXL liefert ja tatsächlich astreine Werte!
Ich schätz mal im Bild ganz rechts hast du das Linieal aus der waagerechten losgelassen, aber wie hast du es bei den anderen gemacht?

Moin moin,
Vielen Dank für diesen Thread! Da ich selber wegen eines temporären Anwesenheitsdefizit gerade nicht basteln oder rumprobieren kann, verfolge ich deine Versuche mit großem Interesse...
Mich würde vor allem interessieren: Welche Auflösung ist reprodzierbar möglich (bei Verwendung als Lagesensor) und wie empfindlich wäre das Lagesignal gegenüber Vibrationen, z.B. durch in der Nähe laufende Motoren bzw Rotoren? Vielleicht fällt dir auch dazu ein schlauer Versuchsaufbau ein :-)

Nils

Hallo Manfred,

schöner Versuchsaufbau und tolle Ergebnisse.

Wenn wir diese Ergebnisse auf einen balancierenden 2-Rad Roboter (ASURO ?) anwenden wollen, wäre es gut, zusätzlich einen Gyro am Lineal anzubringen.
Dann könnte man sehr schön den 90° Phasenversatz sehen. Ich habe leider nur EXCEL-Diagramme von Meßwerten meines UCBalBot, die nicht frei schwingend aufgenommen wurden und deshalb verrauscht sind.

Zitat:

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Welche Auflösung ist reprodzierbar möglich (bei Verwendung als Lagesensor) und wie empfindlich wäre das Lagesignal gegenüber Vibrationen, z.B. durch in der Nähe laufende Motoren bzw Rotoren? Vielleicht fällt dir auch dazu ein schlauer Versuchsaufbau ein

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Die Frage bedeutet wie hoch ist die Empfindlichkeit und der Rauschabstand sowie der Abstand zur Drift? Muss ich auch noch ermitteln, das Datenblatt ist aber schon recht ausführlich.

Beim Rauschen geht direkt die Bandbreite ein. Ich habe die Kondensatoren relativ groß gemacht, für ein Bandbreite von 20Hz (Tabelle Seite 9). Auf Seite 1 steht: allowing signals of 2mg to be resolved (at 60Hz Bandwidth).

TPC6 (Seite 4) beschreibt die X-axis Sensitivity sie liegt bei 0,32V/g. TPC 19 und 20 (Seite 7) geben die Zero Drift mit 0,8mg/°C und die Sensitivity Drift mit 0,025%/°C an. Das müssten die Werte zur Bestimmung des Störabstandes bezüglich der Drift sein.

Zitat:

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Ich schätz mal im Bild ganz rechts hast du das Linieal aus der waagerechten losgelassen, aber wie hast du es bei den anderen gemacht

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Es ist schon so wie beschrieben: Das 30cm Kunststofflineal wird jeweils um einen festen Winkel (ca.20°) ausgelenkt und zum freien Pendeln losgelassen. Trotzdem bestehen Unterschied in den drei Kurven.

Welche der drei Kurven etwas mit einer Milchkanne zu tun hat, das wissen vielleicht gerade noch die Älteren. Ich bin stolz, als Großstädter mit 5-6 Jahren auf Besuch bei der Oma in der Kleinstadt das Experiment beim Frühstückholen gemacht zu haben. Nicht ganz ohne Sorge im Zweifelsfall, wenn der Versuch misslingt, ziemlich umständliche Erklärungen abgeben zu müssen.

Bild hier  

Man kann natürlich auch unter "Milchkanne" und "Gravitation" unter Google nachschauen. Ich werde es dann auch noch erklären, nur erst mal so zum Nachdenken.

Manfred

Hallo,

Zitat:

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"Milchkanne" und "Gravitation"

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Ich schätze, du spielst auf das Beharrungsvermögen von Milch bezüglich
einer Änderung der Bewegungsrichtung an,
und damit auf den temporären Ersatz von Gravitation durch eine bekannte Scheinkraft.

Gruß Jan

Ja geau, das Beharrungsvermögen der Milch wenn keine Kraft in der Ebene der Oberfläche der Flüssigkeit wirkt, die die Milch zum seitlichen Überschwappen bringt. (Es soll natürlich auch die Randbedingung gelten, dass die Kraft senkrecht zur Oberfläche in die Kanne hineinzeigt, und nicht in Richtung Ärmel. )

Ich habe versucht das noch einmal zu verdeutlichen. Im aktuellen Versuch ist ein Brett an den Ecken mit vier Klammern gehalten. An den Klammern sind einen Meter lange Schnüre befestigt. In der Mitte des Brettes steht eine kleine Schüssel mit etwa einem Liter Wasser.
Bei kontinuierlicher Angegung zum Schwingen lassen sich recht deutliche Amplituden bis zu 90° Auslenkung und mit ein bisschen Geschick dann auch der Überschlag errichen, ohne daß die Wasseroberfläche sich merklich relativ zur Schüssel bewegt.

Bild hier  

Das entspricht einem der Fälle unter den obigen Oszillogrammen, nämlich dem mitteren. Der Beschleunigungssensor zeigt nur vor der Schwingung einen deutlichen Ausschlag. Sobald das Pendel frei schwingt wirkt (im wesentlichen) keine Kraft mehr quer zum Pendelstab.

Dann sind noch die beiden anderen Kurven zu erklären.
Manfred

Ich fange mal rechts an.

Die rechte Kurve
Die Kraft, die auf den Beschleunigungssensor vor dem Loslassen wirkt ist gegeben. Sie ist bestimmt durch den Winkel den der Sensor an Lineal zur Erdanziehung hat, unterer Wert, jeweils links im Bild.

Nach dem Loslassen wirken zwei Kräfte, weiterhin die Kraft der Erdanziehung deren Winkel sich sinusförmig ändert und die Kraft der beschleunigten Bewegung. Bewegt sich der Sensor mit dem Pendel, dann ist die Beschleunigung immer dann groß, wenn die Geschwindigkeitsänderung groß ist. Sie ist am größten an den Umkehrpunkten der Bewegung, also am Startpunkt und am gegenüberliegenden Umkehrpunkt.

Die Kurve geht aber kontinuierlich vom Startpunkt aus und kehrt nach einer Periode, abgesehen vom Amplitudenverlust durch die Dämpfung wieder an den Startpunkt zurück. Die Kraft die durch die beschleunigte Bewegung bedingt ist, die hier ihren Maximalwert hat, ist damit null.

Der Sensor wird damit nicht durch die Pendelbewegung um die Achse beschleunigt, er wird nur gekippt. Er befindet sich aber am Lineal, also muss er an der Achse sein.

Na also, die hätten wir, ganz ohne Gleichungen.

Bild hier  

Die mittlere Kurve
Bei der Betrachtung der mittleren Kurve fällt auf, dass der Sensor nach dem Loslassen keine Kraft in seiner Messrichtung (um die Achse) mehr erfährt. Das ist ein spezieller Fall. Er kommt auch bei einem Fadenpendel vor, bei dem eine kompakte Masse an einem Faden pendelt. Das ist leicht einzusehen, denn der Faden kann ja nur in Längsrichtung eine Kraft ausüben, nicht in Querrichtung.

Der Sensor pendelt also gerade so schnell, als wäre er an einem Fadenpendel aufgehängt. Er könnte auch an einem Fadenpendel aufgehängt sein und neben dem Lineal pendeln. Die Bewegungen müssten synchron ablaufen, denn er erfährt ja keine Kraft vom Lineal um gerade in dieser Geschwindigkeit zu pendeln.

Wenn man nun herausbekommt wie schnell ein 32cm langes Lineal, das bei 29cm drehbar aufgehängt ist pendelt, und auch noch bestimmt, wie lang ein Fadenpendel mit konzentrierter Masse ist das die gleiche Schwingungsdauer hat, dann kann man direkt angeben an welcher Stelle des Lineals der Sensor angeklemmt war.

Die Berechnung nur kurz im Überblick:
Periodendauer des Fadenpendels: T = 2*pi* Wurzel (L / g)
Periodendauer des Stab-Pendels : T = 2*pi* Wurzel (J / m*g*r); (r =Abstand Drehpunkt Schwerpunkt).
Für einen Stab mit Drehachse durch den Endpunkt gilt J = m * l² /3.
Die beiden Seiten des Lineals addiert ergeben J = 8,14*10-³m² * m’ (m’ = Massenbelegung des Stabes).
T= 0,89s
Länge des Fadenpendels L=0,196m
Der Sensor war bei der Markierung 8,4cm angeklemmt.
(stimmt sogar, experimentell hatte ich so zwischen 8 und 9 ermittelt.)

Manfred

Hallo

Häte kurz eine Frage:
Wieviel Weg braucht den der Sensor, dass er die Beschleunigung messen kann und wie schnell ist so ein Sensor eigentlich ?

Habe da so eine Blöde Idee, wo ich in z.B. in eine Holzplatte ein Schwingung einbringe und auf der anderen Seite dann messen will, wie hoch sie ist.

Aber ich glaube das wir so einem Sensor wohl nicht gehen..
(Vielleicht mit einem Mikro?)

Bei der im Datenblatt angegebenen Auflösung von 2mg bei 60Hz hat man eine Amplitude von etwa 1µm.
Die maximale Messfrequenz ist 5kHz.
Manfred

Die linke Kurve
Sie erscheint auf den ersten Blick ein bisschen schwierig zu interpretieren, aber sie lässt sich erstaunlich einfach aus den beiden anderen herleiten. Dazu betrachtet man zunächst die rechte Kurve bei der allein die Kippung des Sensors wirksam ist. Die gleiche Kippung ist in jeder Kurve eines am pendelnden Lineal befestigten Sensors in gleicher Größe wirksam.

Unterschiede ergeben sich damit nur durch die Größe des Anteils der Kraft, die von der beschleunigten Bewegung stammt. Diese ist an der Drehachse null und sie nimmt proportional mit dem Abstand von der Achse zu.

Der Punkt an dem sie genau so groß ist wie die Kraft die von der Kippung herrührt ist auch schon bestimmt worden: bei 8,4cm wo sich die Kräfte gerade aufheben. Man kann nun einfach aus Amplitude und Phasenlage der Schwingung die Position bestimmen. Die Phasenlage der Schwingung ist ja, wie man gleich zu Beginn nach dem Loslassen sieht, entgegengesetzt. Der Sensor war hier also an der Position beim Skalenwert 2cm.

Das ging dann wieder leicht.

Bild hier  

Es ist noch zu beachten, dass die Kurven nicht gemeinsam aufgenommen wurden. Die Verschiebung des Sensors mit Halterung auf den Skalenwert 2cm hat eine Vergrößerung der Schwingungsdauer um 8% hervorgerufen. Man kann es bei genauem Hinsehen auch beim Vergleich der linken und der rechten Kurve erkennen. Bei der langsameren Schwingung ist auch die Beschleunigung um diesen Faktor geringer. Der Effekt wurde bei der grafischen Auswertung durch eine leicht erhöhte Linienbreite berücksichtigt. O:)

Zwischen den beiden Kurven rechts und in der Mitte ergibt sich kein Unterschied in der Schwingungsdauer. Bei der Montage in der Nähe der Achse hat der Sensor kein merkliches Trägheitsmoment und im anderen Fall hat er als Teilsystem die gleiche Schwingungsdauer wie das Lineal ohne Sensor.

Manfred

Hallo Manfred,

wo würdest du demnach den Beschleunigungssensor positionieren, um den Neigungswinkel eines balancierenden (2-Rad) Roboters mit diesem Sensor bestimmen zu können ?
Hierbei handelt es sich ja um ein "invertiertes Pendel".

Das geht deutlich über die grundlegenden Betrachtungen hinaus.

Wählt man beim Balancieren eine Beschleunigung, die umso größer ist, je größer die Abweichung von der (instabilen) Gleichgewichtslage ist, mit einem Proportionalitätsfaktor k, dann hat man eine gewisse Annäherung an die Pendelbewegung.

Aus diesem Parameter k zusätzlich zu den Fahrzeugdaten und der Erdanziehung ergibt sich eine Pendelbewegung mit einem Drehpunkt auf einer bestimmeten Höhe des Fahrzeugs, (oder grundsätzlich auch darüber). Auf dieser Höhe ist der Winkel ablesbar, mit Sicherheit aber nur solange er null ist, oder ausreichend kleine Werte hat.

Manfred

Zitat:

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wo würdest du demnach den Beschleunigungssensor positionieren,
um den Neigungswinkel eines balancierenden (2-Rad) Roboters mit diesem Sensor bestimmen zu können ?

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Am Besten würrde man den ADXL-202 im Drehpunkt des 2-Rad-Robots,
also zwischen den Rädern anbringen.
Und zwar hochkant, so das die beiden Sensoren die Erd-Gravitation
um 90 Grad versetzt messen.
Dann lässt sich der Neigungswinkel des Robots aus den Signalen
der beiden Sensoren sehr genau errechnen.
In meinen Experimenten komme ich auf eine Auflösung
von deutlich weniger als 1 Grad.

Zwischen den Rädern, damit der Sensor durch das Pendeln nicht
mitbeschleunigt wird, sondern nur gedreht wird.
Sonst wird die Messung unnötig verfälscht.

Gruß Jan

Zitat:

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Zwischen den Rädern, damit der Sensor durch das Pendeln nicht
mitbeschleunigt wird, sondern nur gedreht wird.
Sonst wird die Messung unnötig verfälscht.

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Können wir das noch weiter betrachten?
Wenn das Rad sich dreht und auf dem Boden entlangfährt, dann bewegt sich doch die Achse über dem Boden.

Ich denke, wenn der Roboter sich dabei in Richtung der senkrechten Lage aufrichtet, dann gibt es einen Punkt weiter oben am Roboter, der der Bewegung der Achse nicht folgt und im wesentlichen eine Drehbewegung macht. Dort hätte ich einen guten Punkt zur Anbringung eines Lagesensors gesehen.

Andererseits lassen sich bekannter Geometrie und ohne Schlupf die Werte wohl auch transformieren.

Manfred

Hallo,

Zitat:

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gibt es einen Punkt weiter oben am Roboter,
der der Bewegung der Achse nicht folgt und im wesentlichen eine Drehbewegung macht

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Das müsste der Schwerpunkt sein.
Alle starren Körper drehen sich um den Schwerpunkt,
wenn sie sich frei drehen können.
Das müsste auch für einen 2-Rad-Robo gelten,
obwohl der ein wenig rauf und runter geschoben wird,
weil die Räder auf einer geraden Fläche laufen.
Eigentlich müssten sie in einer Mulde laufen, deren Radius der Abstand
der Räder zum Schwerpunkt ist.
Die Frage ist, wieviel das ausmacht ??

Hmm...

Gruß Jan

Hallo,

prinzipiell habt ihr natürlich beide recht. Das invertierte Pendel dreht sich um den Schwerpunkt, wenn der 2-Rad Roboter auf der Stelle balanciert, sich also vor und zurück bewegt. Das Reaktionsmoment der Räder wirkt auf die (untere) Pendelachse, gleichzeitig bewegt sich diese Achse in x-Richtung.

Wie sieht es aber aus, wenn das Fahrzeug fährt ?

Noch ein Nachtrag.

Bei unterschiedlichen Lasten (Beispiel Segway) verschiebt sich der Schwerpunkt des Pendels. Es ist also kaum möglich, den Sensor immer im Schwerpunkt zu installiieren.

Zitat:

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mit einem Proportionalitätsfaktor k, dann hat man eine gewisse Annäherung an die Pendelbewegung.
Aus diesem Parameter k zusätzlich zu den Fahrzeugdaten und der Erdanziehung ergibt sich eine Pendelbewegung mit einem Drehpunkt auf einer bestimmeten Höhe des Fahrzeugs,

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Zitat:

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Das müsste der Schwerpunkt sein.

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Der Parameter k ist frei, er kann so gewählt werden, dass sich für kleine Winkel der Schwerpunkt als Drehpunkt ergibt. Wen dies realisierbar ist, dann kann man mit relativ geringer Leistung arbeiten.

Zitat:

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Das invertierte Pendel dreht sich um den Schwerpunkt, wenn der 2-Rad Roboter auf der Stelle balanciert, sich also vor und zurück bewegt.

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Es ist nicht automatisch der Schwerpunkt, es ist aber durch die Regelparameter einstellbar.
Schön wäre es natürlich, die Ergebnise eines praktischen Versuchs daraufhin zu überprüfen.
Manfred

Zitat:

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Es ist nicht automatisch der Schwerpunkt, es ist aber durch die Regelparameter einstellbar.
Schön wäre es natürlich, die Ergebnise eines praktischen Versuchs daraufhin zu überprüfen.

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Hallo Manfred,
diesmal kann ich dir nicht zustimmen. Wenn die Regelung meines UCBalBot in Aktion ist, kommt es nur zu sehr kleinen Ausschlägen in +/- x Richtung des Fahrzeugs in Höhe der Radachsen. Das FZ selbst dreht sich um den Schwerpunkt.
Das kann man sich auch anhand der Differentialgleichungen des Pendelsüberlegen, wenn man sin(phi) durch phi und cos(phi) durch 1 ersetzt.

Bei größeren Ausschlägen gilt dies natürlich nicht mehr und der Drehpunkt "wandert" höher.
Das Wissen um den variablen Drehpunkt hilft aber bei der Erfassung des Neigungswinkels nicht wirklich weiter.

Offen ist also noch die Frage wo, wie und welche Sensoren installiert werden müssen , um eine Balancierregelung zu realisieren.

Hallo Leute

Was haltet ihr davon:
einen Beschleinigungssensor am Drehpunkt der Achsen zu positionieren und einen ganz oben.
Die Differenz der beiden würde man dann als Signal für das Balancieren verwenden.
Das iritiert dann auch die Regelung nicht, wenn der Robo in eine Richtung fährt :-)

Zitat:

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Offen ist also noch die Frage wo, wie und welche Sensoren installiert werden müssen , um eine Balancierregelung zu realisieren.

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Prima, dem kann ich leicht zustimmen.

Bisher meine ich nur, dass die optimale Lage vom Regelalgorithmus abhängt und ich vermute, dass es gut wäre, alles so abzustimmen, dass die Sensoren im Schwerpunkt des Fahrzeugs liegen.

Manfred

Zitat:

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Bisher meine ich nur, dass die optimale Lage vom Regelalgorithmus abhängt

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Wie habe ich mir so einen Regelalgorithms denn überhaupt vorzustellen?
(Ich gehe als erstes Etappenziel mal nur vom Balancieren ohne umzukippen aus, egal ob das Fahrgestell sich dabei ein wenig von der Stelle bewegt oder nicht )
Als Stellgrössen hat man nur die Drehrichtung und die Beschleunigung der Motoren.
Die Drehrichtung muss natürlich stimmen und dafür braucht man den Winkel in dem sich das Fahrgestell im labilen Gleichgewicht befindet.

Macht es auch Sinn mit x unterschiedlichen Steuerspannungen abhängig vom Winkel zu arbeiten um die Beschleunigung der Motoren zu beeinflussen? Ist ein Getriebemotor da nicht viel zu träge für?
Ich stell mir das eher so vor, dass man einen gewissen Toleranzbereich um das Gleichgewicht definiert. Wenn das Gestell aus diesem Bereich herauskippt steuert man gegen bis der Bereich wieder erreicht wird.

Dafür müsste man dann aber doch eigentlich gar nicht ständig den genauen Winkel wissen, sondern nur wann das Gleichgewicht erreicht ist und in welche Richtung das Gestell aktuell kippt.

Wie funktionieren das denn bei so einem elektrischen Einrad mit dem man durch die Gegend fahren kann?
http://fhznet.fh-bielefeld.de/fb2/labor-le/einrad.html
Da verändert sich der Schwerpunkt doch auch abhängig von Gewicht und Körperhaltung des Fahrers und man muss vermutlich nicht jedesmal den Regelalgorithmus neu einstellen.

Zitat:

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Wie habe ich mir so einen Regelalgorithms denn überhaupt vorzustellen?
(Ich gehe als erstes Etappenziel mal nur vom Balancieren ohne umzukippen aus, egal ob das Fahrgestell sich dabei ein wenig von der Stelle bewegt oder nicht )
Als Stellgrössen hat man nur die Drehrichtung und die Beschleunigung der Motoren.
Die Drehrichtung muss natürlich stimmen und dafür braucht man den Winkel in dem sich das Fahrgestell im labilen Gleichgewicht befindet.

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Der einfachste Regelalgorithmus besteht aus einem P-Regler. Man gibt einen SOLLwinkel, z.B 0° (senkrecht) vor, mißt den ISTwinkel und bildet die Differenz. Angenommen diese ist positiv, wenn der Roboter nach vorn geneigt ist. Dann wird diese Differenz verstärkt und als Steuerspannung an die Motoren gegeben, so daß diese das Fahrzeug nach vorne bewegen

Diese Bewegung hat zwei Effekte

1. Das Reaktionsmoment der Motoren richtet den Roboter auf
2. Das Trägheitsmoment des Roboters wirkt in die gleiche Richtung

Zitat:

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Macht es auch Sinn mit x unterschiedlichen Steuerspannungen abhängig vom Winkel zu arbeiten um die Beschleunigung der Motoren zu beeinflussen? Ist ein Getriebemotor da nicht viel zu träge für?
Ich stell mir das eher so vor, dass man einen gewissen Toleranzbereich um das Gleichgewicht definiert. Wenn das Gestell aus diesem Bereich herauskippt steuert man gegen bis der Bereich wieder erreicht wird.

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Wenn der Bereich wieder erreicht ist, ist die Regeldifferenz Null und die Steuerspannung wird zu Null. Damit wäre alles ok, wenn das Trägheitsmoment und die beschleunigte Bewegung des Roboters nach hinten nicht wären (siehe oben).
Eine Lösung ist tatsächlich, statt des linearen P-Reglers in der Form y= a x einen nichtlinearen, z.B y = x^2 zu verwenden.

Zitat:

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Wie funktionieren das denn bei so einem elektrischen Einrad mit dem man durch die Gegend fahren kann?
http://fhznet.fh-bielefeld.de/fb2/labor-le/einrad.html
Da verändert sich der Schwerpunkt doch auch abhängig von Gewicht und Körperhaltung des Fahrers und man muss vermutlich nicht jedesmal den Regelalgorithmus neu einstellen.

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Beim Einrad wird der Regelalgorithmus tatsächlich nicht verändert. Der Regler ist analog mit Operationsverstärkern realisiert. Der Winkel wird ständig mit einem Poti gemessen.

Zitat:

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Der einfachste Regelalgorithmus besteht aus einem P-Regler. Man gibt einen SOLLwinkel, z.B 0° (senkrecht) vor, mißt den ISTwinkel und bildet die Differenz. Angenommen diese ist positiv, wenn der Roboter nach vorn geneigt ist. Dann wird diese Differenz verstärkt und als Steuerspannung an die Motoren gegeben, so daß diese das Fahrzeug nach vorne bewegen

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Hierzu würde es dann ja reichen den SOLLwinkel relativ genau zu messen, beim ISTwinkel müsste die qualitative Erfassung (grösser oder kleiner) ausreichen.
Interessant wäre dann die Abschätzung wie genau der SOLLWinkel gemessen werden muss und welche Rolle die Positionierung des Sensors im Rahmen dieser Toleranz spielt.

Zitat:

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Eine Lösung ist tatsächlich, statt des linearen P-Reglers in der Form y= a x einen nichtlinearen, z.B y = x^2 zu verwenden.

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Bei dieser Variante wäre dann interessant, wieweit man die Nichtlinearität sinnvoll in die Steuerung einfliessen kann.
Dabei dürfte die Trägheit des Antriebsmotors eine wesentliche Rolle spielen. Wenn man von einem gegebenen System, z.B. dem Asuro ausgeht, werden die kleinen Getriebemotoren der Ansteuerung sicher nicht beliebig genau folgen.
Interessant ist also wie oft es überhaupt innerhalb einer Periode sinnvoll ist die Ansteuerspannung für die Motoren zu ändern, was dann wiederum die sinnvolle Messgenauigkeit mit der man den ISTwinkel erfassen muss beeinflusst.

Prinzipiell sollte man ja niemals mehr Aufwand betreiben als unbedingt nötig.
Da hier viele Grössen, z.B. Motorkennlinien, der genaue Schwerpunkt, Messgenauigkeit usw. nur sehr schwer zu ermittleln oder sogar nur grob abschätzbar sind, finde ich es in diesem Fall besonders interessant gleich im Vorfeld erst mal zu sondieren welche Genauigkeit und welcher Aufwand überhaupt noch Sinn hat.

Ein zu genau abgestimmter Regelalgorithmus hätte auch den unschönen Nachteil, dass man ihn bei jeder kleinsten baulichen Veränderung wieder neu anpassen müsste. Das wäre beim Asuro noch zu verschmerzen, aber bei einem anderen Roboter den man noch weiter ausbauen möchte ziemlich lästig.

Schön wäre natürlich auch, wenn man einige Werte, z.B. die günstigste ansteuerung für die Motoren empirisch ermitteln könnte und den Regelalgorithmus nach baulichen Veränderungen vielleicht sogar nur neu kalibrieren müsste.

Wenns schon Roboter gibt die selbstständig das Laufen lernen, wäre es in diesem Fall hier eine Überlegung, ob sie nicht auch selbständig balancieren lernen könnten.

Zitat:

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Hierzu würde es dann ja reichen den SOLLwinkel relativ genau zu messen, beim ISTwinkel müsste die qualitative Erfassung (grösser oder kleiner) ausreichen.
Interessant wäre dann die Abschätzung wie genau der SOLLWinkel gemessen werden muss und welche Rolle die Positionierung des Sensors im Rahmen dieser Toleranz spielt.

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Damit keine Mißverständnisse entstehen: Den SOLLwinkel gibt man beim balancierenden 2-Rad Roboter im Programm vor, man muß ihn also nicht messen. Beim manntragenden Fahrzeug könnte man ihn z.B. mit einem Poti o.ä einstellen, muß aber nicht.
Bei der Messung des ISTwinkel reicht eine Genauigkeit von 7-8Bit.

Zitat:

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Dabei dürfte die Trägheit des Antriebsmotors eine wesentliche Rolle spielen. Wenn man von einem gegebenen System, z.B. dem Asuro ausgeht, werden die kleinen Getriebemotoren der Ansteuerung sicher nicht beliebig genau folgen

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Die Zeitkonstante der ASURO - Motoren ist klein gegenüber der mechanischen Zeitkonstante aufgrund der Trägheit des Systems. Ich habe das mit MATLAB simuliert:

https://www.roboternetz.de/phpBB2/ze...=6791&start=88

Die Frage nach dem sinnvollen Aufwand kann man natürlich nicht so einfach beantworten.
Will man möglichst wenig Sensoren und ein simples Regelungsprogramm einsetzen, kann man ein robustes und gegen Parameterschwankungen unempfindliches System nicht erwarten.
Das geht nur, wenn man z. B einen vollständigen Zustandsregler realisiert und die vier erforderlichen Zustandsgrößen auch hinreichend genau erfaßt.
Mit meinem UCBalBot habe ich damit jedenfalls gute Erfahrungen gemacht

Zitat:

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Damit keine Mißverständnisse entstehen: Den SOLLwinkel gibt man beim balancierenden 2-Rad Roboter im Programm vor, man muß ihn also nicht messen. Beim manntragenden Fahrzeug könnte man ihn z.B. mit einem Poti o.ä einstellen, muß aber nicht.

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Da dachte ich mir, dass man den Roboter erst mal einfach in der gewünschten Position (Gleichgewicht) festhält und den dabei aktuellen Wert als Sollwert speichert.

Zitat:

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Die Frage nach dem sinnvollen Aufwand kann man natürlich nicht so einfach beantworten.

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Mit sinnvollem Aufwand habe ich auch eher das gemeint, was du als "hinreichend" bezeichnest. Mir ging es erst mal mehr darum, dass man die Messwerte nicht genauer und öfter erfasst als man sie im Regelalgorithmus überhaupt einfliessen lassen kann und in dem Algorithmus nicht mehr macht als die Mechanik überhaupt hergibt.

Ich gehe da etwas mehr von bestehenden Systemen aus. Wenn man z.B. dem Asuro balancieren beibringen will hat man ja weniger Möglichkeiten und andere Randbedingungen, als wenn man den Roboter von vorneherein aufs Balancieren hin konzipiert.

Zitat:

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Will man möglichst wenig Sensoren und ein simples Regelungsprogramm einsetzen, kann man ein robustes und gegen Parameterschwankungen unempfindliches System nicht erwarten.

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Klar, aber man braucht ja auch seine Erfolgserlebnisse ;-)
Wenn mans erst mal geschaft hat, dass das Ding eine Weile rumeiert ohne umzukippen, kann man ja immer noch optimieren und ausbauen, oder auf Basis des gelernten noch mal von vorne anfangen.

Zitat:

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Da dachte ich mir, dass man den Roboter erst mal einfach in der gewünschten Position (Gleichgewicht) festhält und den dabei aktuellen Wert als Sollwert speichert.

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Ja, das funktioniert.

Zitat:

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Ich gehe da etwas mehr von bestehenden Systemen aus. Wenn man z.B. dem Asuro balancieren beibringen will hat man ja weniger Möglichkeiten und andere Randbedingungen, als wenn man den Roboter von vorneherein aufs Balancieren hin konzipiert.

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Du hast vollkommen recht.
Aber ich denke der ASURO bietet fast alle Voraussetzungen zum Balancieren. Er hat Inkrementalgeber (leider nur einspurig, aber immerhin) und man könnte einen Gyro und einen Neigungssensor installieren und per ADC abfragen. Auflösung des ADC und Rechenleistung der CPU sind auf jeden Fall ausreichend.

Zitat:

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Klar, aber man braucht ja auch seine Erfolgserlebnisse
Wenn mans erst mal geschaft hat, dass das Ding eine Weile rumeiert ohne umzukippen, kann man ja immer noch optimieren und ausbauen, oder auf Basis des gelernten noch mal von vorne anfangen.

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Das kann ich nur bestätigen.
Und ich hoffe, daß es viele versuchen werden, denn es gibt wohl kaum ein Robotikprojekt, wo man so viel über Antriebe, Sensorik und Regelungstechnik lernen kann.

Hallo

Habe mir ein Daughterboard für meinen ADXL202 gebaut.
Meiner hat eine andere Bauform, war aber erstaunlicher weise
sehr komfortabel zu löten.
Auf Wunsch maile ich gerne das Layout (Bitte Emaildresse beifügen).
Die Qualität des Bildes ist leider ziemlich schlecht, habe es mit meinem Handy fotografiert.

Jetzt zu meiner Frage:
Bei mir gibt der eine PWM aus, die sich je nach Beschleunigung im Dutycycle ändert, in den Bildern vom Manf ist es eine Schwingung, die sich in der Frequenz und Amplitude ändert.
@Manf, wie hast du die PWM in diese Schwingung umgewandelt?

An welche Pins von einem Mega8, würdet ihr die Ausgabe hängen?

Die Ausgabe die Manf bekommt ist sympathischer, da man diese an den ADWandler hängen könnte.

LG
Rubi

Zitat:

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Zitat von Manf

Man kann die Signale hochohmig als Spannungen an den Kondensatoren abgreifen, oder eben an den Ausgängen als Tastverhältnis.
Manfred

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Ups, bitte um Entschuldigung das habe ich überlesen,...

Bleibt die Frage, was besser (genauer,..) ist, die Spannung abzugreifen, oder die PWM.
IMHO müste man , wenn man sich für die PWM entscheidet, einen ziemlichen Aufwand bei der Berechnung treiben.
Wie lange ist der Impuls Hihg, wie lange Low, Verhältnis der Dauer von High/Low,...

LG
Rubi

Zitat:

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@Manf, wie hast du die PWM in diese Schwingung umgewandelt?

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Das steht in meiner Beschreibung und im Datenblatt. Die Analogausgänge ohne PWM sind hochohmig verfügbar (und sie haben auch eine höhere Grenzfrequenz).
Die Spannung wird zuerst geblidet sie ist von daher genauer. Sie sollte natürlich nicht belastet werden und ein solches Signal kann leichter gestört werden.

Manfred

@Manf

Hallo Manf

Mit welcher Software hast Du denn die Meßwerte aufgenommen ?
Dieses Bild (der xy Schreiber) schaut richtig gut lesbar aus.

LG
Rubi

Das ist ein Speicher-Oszilloskop HM205. Es gibt bei dem Gerät wohl auch einige Nachfolger Generationen.
Manfred

Hallo Manf

Hast Du das Bild vom DSO fotographiert ?

LG
Rubi

Ja, ich habe es fotografiert.
Es ist machmal ganz praktisch ein Universalfoto zu haben, das man dann grafisch ergänzen kann. Worauf möchtest Du hinaus?, die Gestaltung des Rahmens und die farbliche Abstimmung mit dem Hintergrund finde ich auch sehr gelungen. O:)
Manfred