Kugelroboter

[micky_ficky]

Schonmal probiert was passiert wenn de an deinen Roboter einfach oben hin n Besenstiel schraubst? Soll in Ruheposition einfach gerade nach oben zeigen.
Sieht nicht schön aus, aber für Versuchszwecke möglich.

Wenns dann funktioniert is deine Konstruktion zu instabil. Mehr Gewicht und ein höherer Schwerpunkt (bei deinen Roboterausmaßen is n Besenstiel sicher nicht nötig, da tuts auch was kleineres. war nur n Beispiel) sollten da schon viel helfen.

Ansonsten bleibt die Frage wie sehr er in eine Richtung kippt bei vorgegebener Geschwindigkeit. Bzw hast du mal versucht als Zielgeschwindigkeit nicht P*x sondern einen niedrigeren Wert zu nehmen (edit: gemeint ist hier: kleinerer Wert für P als den momentan verwendeten)?

MfG Daniel

[kehrblech]

Das Gewicht verändern ist wahrscheinlich keine gute Idee, denn dann muss der PID-Regler für den Winkel neu eingestellt werden, dass dauert erstmal.

Bzw hast du mal versucht als Zielgeschwindigkeit nicht P*x sondern einen niedrigeren Wert zu nehmen (edit: gemeint ist hier: kleinerer Wert für P als den momentan verwendeten)?

P steht hier für den P-Regler und den habe ich, wie auch an allen anderen Regler-Anteilen, oft verändert. Ich glaube eher, dass das Regelmodell völlig falsch ist. Also dass ich z.B. auch noch die Beschleunigung einbauen muss. Nur weiß ich leider nicht wie.

[micky_ficky]

Was sind denn so die maximalen Winkel die dein Bot auslenken soll? Im Prinzip is das Regelmodell ja das selbe wie bei einem umgekehrten Pendel (nur is der Schwerpunkt eben viel niedriger, und damit ist das ganze deutlich instabiler), und damit da n lineares Modell funktioniert das eine optimale Regelung zulässt, darf die Auslenkung aus der Ruhelage nicht größer als 5° sein. Ist aber schon ewig her das ich das gelesen habe, keine Garantie. Aber such mal nach umgekehrtem Pendel bei www.gidf.de da dürfte es recht viel dazu geben.

Ich glaub auch nicht, dass du den Regler groß anpassen musst, wenn du die Masse n bissle größer machst. Wichtig ist ja eigentlich nur n höherer Schwerpunkt als ne größere Masse. Wenn de irgendwas rummfahren hast probiers einfach mal. Dünner Stab (z.B. von nem Drachen oder so) und obendrauf ne Kugel aus Alufolie (die dann aber auch massiv ) sollte schon helfen.
Und selbst wenn de den Regler n bissle anpassen musst, besser als wenns gar net geht

MfG
Daniel

[micky_ficky]

Ich hab grad nochmal darüber nachgedacht wie dein Bot regelt...

Woher weiß er das er x cm vom Ziel entfernt ist? Ist da ein absolutes Ziel gemeint, oder eher ne Position des Bots auf der Kugel?

Ich geh mal davon aus, dass ne absolute Position gemeint ist. Dann müsste man es doch so machen, dass man die Maximale stabile Bot Geschwindigkeit (also die aus der dein Bot auch sicher wieder abbremsen kann) rausfindet, und von Ruhelage auf diese Geschwindigkeit beschleunigt. Dann musst du den Beschleunigungsprozess (bzw dann auch dasselbe zum Bremsen) regeln, und sobald du auf der richtigen Geschwindigkeit bist, das ganze einfach nur halten.

Ansonsten hast du ja bei großer Entfernung zum Ziel ne sehr große Geschwindigkeit, aus der dein Bot evtl nicht mehr zurück in die GGW-Lage kommt.

MfG
Daniel

[kehrblech]

Es gibt keine Grenzgeschwindigkeit die der Roboter maximal erreichen darf, weil diese abhängig vom aktuellen Winkel ist.

Im Prinzip is das Regelmodell ja das selbe wie bei einem umgekehrten Pendel (nur is der Schwerpunkt eben viel niedriger, und damit ist das ganze deutlich instabiler), und damit da n lineares Modell funktioniert das eine optimale Regelung zulässt, darf die Auslenkung aus der Ruhelage nicht größer als 5° sein. Ist aber schon ewig her das ich das gelesen habe, keine Garantie.

Mein Roboter hat sogar einen sehr hohen Schwerpunkt. Wenn man den Roboter mit einem Invertierten Pendel vergleicht, muss man den Durchmesser des Balls als Pendellänge ansehen. Allerdings gleicht mein Roboter eine Schräglage etwas anders aus, als so ein Pendel. Auf den ersten Blick sieht es gleich aus, aber weil der Ball im Verhältnis zum Roboter eine höhere Masse hat, als das normalerweise bei Invertierten Pendeln üblich ist, verhält er sich auch etwas anders. Ein Invertiertes Pendel kann übrigens deutlich weiter als nur bis 5* ausgelenkt werden, das hängt alles vom Antrieb ab. Hätte man einen unendlich starken Antrieb, könnte man jeden Winkel <90° wieder aufrichten.

Dünner Stab (z.B. von nem Drachen oder so) und obendrauf ne Kugel aus Alufolie (die dann aber auch massiv Zwinkern ) sollte schon helfen.

Eher nicht. Ein solcher Stab verbiegt sich nämlich leider beim Balancieren und schwingt mit, sodass er eher stört als nützt.

Ist da ein absolutes Ziel gemeint, oder eher ne Position des Bots auf der Kugel?

Es ist die Entfernung gemeint, die der Roboter seit dem Start auf der Kugel zurückgelegt hat.

[micky_ficky]

Es gibt keine Grenzgeschwindigkeit die der Roboter maximal erreichen darf, weil diese abhängig vom aktuellen Winkel ist.

Natürlich gibts diese Grenzgeschwindigkeit. Wenn der Ball so schnell rollt, dass der Antrieb deines Bots gerade noch genausoschnell in die der Rollrichtung entgegengesetzte Richtung fahren kann (sodass der Bot sozusagen den Winkel hällt). Das ist dann deine Grenzgeschwindigkeit.
[edit] Bei näherem nachdenken ist das nicht ganz richtig, da bei gehaltenem Winkel die Kugel immernoch beschleunigt. Muss nochmal drüber nachdenken wie das dann aussieht. allerdings muss es so ne Geschwindigkeit geben, bei irgend einer Geschwindigkeit dürfte der Bot ja einfach nicht mehr nachkommen.

Im Prinzip is das Regelmodell ja das selbe wie bei einem umgekehrten Pendel (nur is der Schwerpunkt eben viel niedriger, und damit ist das ganze deutlich instabiler), und damit da n lineares Modell funktioniert das eine optimale Regelung zulässt, darf die Auslenkung aus der Ruhelage nicht größer als 5° sein. Ist aber schon ewig her das ich das gelesen habe, keine Garantie.

Mein Roboter hat sogar einen sehr hohen Schwerpunkt. Wenn man den Roboter mit einem Invertierten Pendel vergleicht, muss man den Durchmesser des Balls als Pendellänge ansehen. Allerdings gleicht mein Roboter eine Schräglage etwas anders aus, als so ein Pendel. Auf den ersten Blick sieht es gleich aus, aber weil der Ball im Verhältnis zum Roboter eine höhere Masse hat, als das normalerweise bei Invertierten Pendeln üblich ist, verhält er sich auch etwas anders. Ein Invertiertes Pendel kann übrigens deutlich weiter als nur bis 5* ausgelenkt werden, das hängt alles vom Antrieb ab. Hätte man einen unendlich starken Antrieb, könnte man jeden Winkel <90° wieder aufrichten.

Ich sag ja auch nicht, das es dann gar nicht mehr geht. Aber du bekommst für das verhalten deines Pendels nur ne Näherungsweise korrekte lineare DGL wenn der Winkel kleiner 5° ist. Und die lineare DGL brauchst du eben -soweit ich weis- um ne einfache optimale Regelung hinzubekommen.
Der Vergleich mit dem Pendel hinkt bei näherer Betrachtung tatsächlich. Ich sollte meine Ad hoc Modelle mit mehr Sorgfalt wählen
[edit]Übrigens müsste doch der Schwerpunkt von der Mitte des Balls aus gerechnet werden oder? Wenns um eine Auslenkung geht ist die bezogen auf den Ballmittelpunkt.

Ist da ein absolutes Ziel gemeint, oder eher ne Position des Bots auf der Kugel?

Es ist die Entfernung gemeint, die der Roboter seit dem Start auf der Kugel zurückgelegt hat.

Die Geschwindigkeit steigt also proportional zum Weg, gegebenenfalls bis unendlich? Dann is klar das er kippt.

[micky_ficky]

Hier neue Antwort da es mit dem davor nicht wirklich viel zu tun hat.

Ich hab mir mal n paar Gedanken über die grundsätzliche Funktionsweise gemacht, da mich das Thema doch zunehmend interessiert (finde den Bot einfach Klasse).

Interessant wäre zu anfangs: wieviel wiegt denn der Bot, wieviel der Ball? Wäre für die Trägheitsmomente ganz interessant.

Das Prinzip vom Balancieren und Fahren von 2-Rad Bots basierend auf dem invertierten Pendel is mir recht klar.
Ich verstehe auch das Balancieren auf der Kugel, was ja bei dir auch schon recht gut klappt.

Einzig im gezielten Bewegen der Kugel sehe ich ein prinzipielles Problem, das nichts mit Regelung oder Sensoren zu tun hat.
Es ist mir noch nicht genau gelungen das Problem das ich da habe in Worte zu fassen. Deshalb würd ich gern erstmal deine Strategie verstehen.

Zur genaueren Kommunikation hab ich dazu mal ne kleine Skizze im Anhang eingefügt.
Angenommen, du willst den Ball in positiver x-Richtung Bewegen, wie sieht dann deine Strategie für die Räder aus?
In welche Richtung Drehst du die Räder (positiver(in w-Richtung) oder negativer Drehsinn)? Der Wagen soll denke ich um einen bestimmten Winkel von der Ruhelage abgelenkt werden, um zu beschleunigen. Nach rechts oder links?
Was ist deine Strategie zum halten der Geschwindigkeit? Die zum Abbremsen?

Damit ich deine Überlegungen dann gut nachvollziehen kann, brauch ich die oben genannten Gewichte des Bots und des Balls.

Ich habe nämlich die Befürchtung das ne gezielte Bewegung mit den vorhandenen Mitteln gar nicht möglich ist. Soweit ich das bisher durchdacht habe liegt das Problem daran, dass es nicht möglich ist, über eine Achse ein direktes Drehmoment an den Ball zu bringen (so wie es beim invertierten Pendel genutzt wird), sondern eben indirekt über die Räder deines Bots.

[kehrblech]

Interessant wäre zu anfangs: wieviel wiegt denn der Bot, wieviel der Ball?

Der Roboter ca. 2kg, den Ball schätze ich auf 500-600g.

Angenommen, du willst den Ball in positiver x-Richtung Bewegen, wie sieht dann deine Strategie für die Räder aus?

Ich gebe dem Roboter eine bestimmte Geschwindigkeit vor, mit der er in die x-Richtung fahren soll. Er vergleicht diese Geschwindigkeit mit seiner aktuellen Geschwindigkeit, die er über Sensoren messen kann. Je nach Abweichung von der Soll-Geschwindigkeit verändert er seine Schräglage. Ist er zu langsam, kippt er etwas in Fahrtrichtung, wenn er zu schnell wird, kippt er in die andere Richtung.

Ich habe nämlich die Befürchtung das ne gezielte Bewegung mit den vorhandenen Mitteln gar nicht möglich ist. Soweit ich das bisher durchdacht habe liegt das Problem daran, dass es nicht möglich ist, über eine Achse ein direktes Drehmoment an den Ball zu bringen (so wie es beim invertierten Pendel genutzt wird), sondern eben indirekt über die Räder deines Bots.

Es ist auf jeden Fall möglich den Ball gezielt in eine Richtung zu lenken, wenn man dem Roboter mit der Fernsteuerung "hilft". Dabei gebe ich nur Soll-Winkel vor. Da der Roboter sowohl seinen Winkel, als auch die Geschwindigkeit messen kann, sollte es schon möglich sein, ihn selbstständig auf einer Position zu halten. Ist halt eine Frage der Regelungstechnik.

[micky_ficky]

Das Problem das ich sehe ist die Sache mit dem Winkel...
Sobald du deinen Bot aus der Ruheposition rauskippst (soweit eben das das Drehmoment das er erzeugt groß genug ist um den Rollwiderstand zu kompensieren), beschleunigt der Ball in die Richtung in die er gekippt ist.
Da der Bot davor aber mehr oder weniger ruht, und aus dieser Lage erstmal beschleunigen muss um seinen Winkel zu ändern, wirkt davor schon ein Drehmoment (das sogar recht groß ist, da der Bot 4 mal so schwer ist wie der Ball), dieses aber genau in die entgegengesetzte Richtung, in die du eigentlich fahren möchtest. Wenn die Steuerung nun hergeht und die Geschwindigkeit misst, und feststellt das sie in die falsche Richtung geht, beschleunigt er den Bot weiter, um den Winkel so zu erhöhen das die Geschwindigkeit in die richtige Richtung geht.
Ich denke das ist hauptsächlich das Problem das du hattest, als dein Bot immer vom Ball gefallen ist.
[edit] Kleiner Fehler im Denkansatz bei mir: der Ball beschleunigt schon in die falsche Richtung, aber du hast ja deine Geschwindigkeit über nen Beschleunigungssensor im Bot bestimmt, der sich in die richtige Richtung bewegt. Muss den Punkt nochmal überdenken.

Ein weiteres Problem tritt auf wenn man das oben genannte Problem gelöst hat. sobald der Bot einen gewissen Winkel erreicht hat beschleunigt er immer weiter. Du müsstest also an dem Ball wieder nach oben fahren, so dass das Drehmoment gerade noch so den Rollwiderstand und den Luftwiderstand kompensiert, also die Beschleunigung zu 0 wird. Wenn du nun aber am Ball nach oben fährst, wirkt der Antrieb wieder ein Drehmoment aus - diesmal so, das der Ball weiter in die richtige Richtung beschleunigt, also unter Umständen zu schnell wird.

Ich hab mal versucht ein Bewegungsmodell dafür zu erstellen, merke aber das meine Kenntnisse in Theoretischer Physik etwas eingerostet sind.

Ich denke nun auch das die gezielte Bewegung des Bots möglich ist, aber auch recht schwierig, und wahrscheinlich nicht mit einem normalen PID Regler möglich.

Hoffe das da jetzt n paar halbwegs brauchbare Ideen dabei waren, evtl hilfts dir ja. Genaueres wenn ich mal wieder zuviel Freizeit hab

MfG
Daniel

[kehrblech]

der Ball beschleunigt schon in die falsche Richtung, aber du hast ja deine Geschwindigkeit über nen Beschleunigungssensor im Bot bestimmt, der sich in die richtige Richtung bewegt.

Nein, ich messe die Geschwindigkeit der Motoren mit Inkrementalsensoren, mit Beschleunigungssensoren würde das durch die doppelte Ableitung recht schnell sehr ungenau werden.
Die Richtung stimmt schon. Ich muss aber nochmal die Lochscheiben überarbeiten, da haben manche Löcher nicht den gleichen Abstand, sodass die gemessene Geschwindigkeit nicht gerade konstant ist. Wer hat eine Idee, wie ich die gleichmäßig in die Scheibe bekomme? Ich habe leider kein Spezial-Werkzeug, nur normale Bohrer, Sägen, ...