Disseny, construcció i control d’un robot auto equilibrat

Abstract

El robot auto equilibrat busca solucionar el comportament del pèndol invertit. Problema habitualment plantejat en el camp del control, ja que s'aconsegueix estabilitzar un sistema inestable gràcies a l'acció generada després de la lectura dels seus sensors d’entrada. El present projecte presenta el disseny, la fabricació i el control d’un robot mòbil capaç de mantenir l'equilibri sobre les seves dues rodes, mitjançant un control digital LQR a través d’un microcontrolador. El sistema compensador LQR és un algoritme matemàtic format per equacions d’estat, basades en les propietats dinàmiques i cinemàtiques del sistema. El procés comença per comprendre el principi de funcionament d’aquest tipus de robot. S’estudia la seva cinemàtica i dinàmica, i es determinen quins tipus de sensors i actuadors seran necessaris per implementar el sistema. Seguidament es realitza el disseny CAD amb el programa Inventor. Les plaques que formen l’estructura es mecanitzen en una fresadora CNC. Per la part elèctrica, es fa un disseny del circuit utilitzant el programa Fritzing, i es fabrica una placa on es munten els diferents dispositius i sensors. Es compra el material necessari i es construeix el robot. Finalment, amb Arduino es programa el codi que permet l’auto equilibratge a través del seu control LQR. Els resultats obtinguts han complert els objectius plantejats a l’inici del projecte. Per la part mecànica s’ha aconseguit un disseny simple, robust, lleuger, i fàcil de muntar i desmuntar. La part electrònica permet la comunicació dels diferents dispositius i la correcte alimentació del sistema. Pel que fa el control, s’ha implementat el sistema LQR aconseguint l’auto equilibrat del robot.

The self balancing robot seeks to solve the behavior of the inverted pendulum. A problem commonly used in the field of control, as it manages to stabilize an unstable system thanks to the action generated after reading its input sensors. This project presents the design, manufacture and control of a mobile robot capable of maintaining balance on its two wheels by a digital LQR control through a microcontroller. The LQR compensation system is a mathematical algorithm formed by equations of state, based on the system dynamic and kinematic properties. The process begins with understanding the principle of operation of this type of robot. Its kinematics and dynamics are studied, and it is determined what types of sensors and actuators will be needed to implement the system. The CAD design is done with the Inventor program. The manufacture of the plates that form the structure are machined in a CNC milling machine. On the electrical side, a circuit design is made using the Fritzing program, and a board is made where the different devices and sensors are mounted. The necessary material is bought and the robot is built. Finally, the software is implemented through Teensyduino, which allows self balance through its LQR control. The results obtained are the ones proposed at the beginning of the project. On the mechanical side, a simple, robust, and lightweight design has been achieved, and it’s easy to assemble and disassemble. The electronic part allows the communication of the different devices and the correct feeding of the system. In terms of control, the LQR system has been succesfuly implemented, achieving the self balancing of the robot.