Beschleunigungssensor ADXL 202 JQC

[JanB]

Hallo,

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

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

[UlliC]

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 ?

[UlliC]

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.

[Manf]

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,

Das müsste der Schwerpunkt sein.

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.

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

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

[UlliC]

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.

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.

[Roberto]

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

[Manf]

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

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

[recycle]

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

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.

[UlliC]

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.

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

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.

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.

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.

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

[recycle]

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

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.

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

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.