Diseño e Implementación de Diseño e Implementación de Vehículo Autobalanceado sobre Dos Vehículo Autobalanceado sobre Dos RuedasRuedas

Leonardo Moreno B.Leonardo Moreno B.

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ContenidosContenidos

ContextualizaciónContextualización Descripción del sistemaDescripción del sistema Antecedentes previosAntecedentes previos Objetivos del trabajoObjetivos del trabajo Aspectos TécnicosAspectos Técnicos Análisis de resultadosAnálisis de resultados Resumen y conclusionesResumen y conclusiones

3

Contextualización (1/2)Contextualización (1/2)

Necesidad de Necesidad de descongestionar descongestionar callescalles

Tramos cortosTramos cortos Viajes RepetitivosViajes Repetitivos Problema de la Problema de la

última millaúltima milla ContaminaciónContaminación

4

Contextualización (2/2)Contextualización (2/2)

Alternativas de solución:Alternativas de solución: BicicletasBicicletas Autos EléctricosAutos Eléctricos Buenos zapatosBuenos zapatos

Año 2001: primer vehículo de Año 2001: primer vehículo de autobalanceo comercial - Segwayautobalanceo comercial - Segway

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Descripción del Sistema Descripción del Sistema (1/2)(1/2)

Péndulo invertidoPéndulo invertido Equilibrio análogo al ser Equilibrio análogo al ser

humanohumano Velocidades entre Velocidades entre

caminata y bicicletacaminata y bicicleta Gran maniobrabilidadGran maniobrabilidad

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Descripción del Sistema Descripción del Sistema (2/2)(2/2)

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Antecedentes previosAntecedentes previos Versiones comerciales:Versiones comerciales:

Segway (2001), Winglet PT (2008)Segway (2001), Winglet PT (2008) Costo Segway básico: $ 4.300.000Costo Segway básico: $ 4.300.000 Versiones caserasVersiones caseras Aplicaciones: vigilancia, publicidad, Aplicaciones: vigilancia, publicidad,

discapacitados, discapacitados, eliteelite

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Objetivos del trabajoObjetivos del trabajo

Construcción de modelo Construcción de modelo funcional a escala realfuncional a escala real

Curva de aprendizaje rápidaCurva de aprendizaje rápida

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Aspectos TécnicosAspectos Técnicos

Modelación y ControlModelación y Control Electrónica de ControlElectrónica de Control Electrónica de PotenciaElectrónica de Potencia Diseño MecánicoDiseño Mecánico

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Modelación del sistemaModelación del sistema

R

DI

RmLmLxm

xmLI

derizq

derizqbb

derizqb

)cos()sin(~

)cos(~

2

derizq

derizq

derizq

e

dcx

ba

º0

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Control a implementar: PDControl a implementar: PD

derizq

derizq

derizq

e

dcx

ba

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Electrónica de Control (1/5)Electrónica de Control (1/5)

Unidad de ControlUnidad de Control DSP TMS320F2808DSP TMS320F2808 8 salidas PWM (4 por motor)8 salidas PWM (4 por motor) 8 entradas ADC8 entradas ADC 4 puertos seriales4 puertos seriales Acelerómetro + gyroAcelerómetro + gyro

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Electrónica de Control (2/5)Electrónica de Control (2/5)

IMUIMU: Inertial Measurement Unit: Inertial Measurement Unit Estimación de orientaciónEstimación de orientación

AcelerómetroAcelerómetro GiróscopoGiróscopo

++

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Electrónica de Control (3/5)Electrónica de Control (3/5)

AcelerómetroAcelerómetro ADIS16203ADIS16203 Interfaz SPIInterfaz SPI 0.025º de resolución (14 bits)0.025º de resolución (14 bits) Tiempo de muestreo: ~1 msTiempo de muestreo: ~1 ms Medición en base a gravedadMedición en base a gravedad

Errores en aceleraciones externasErrores en aceleraciones externas Buena estimación en largo plazoBuena estimación en largo plazo

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Electrónica de Control (4/5)Electrónica de Control (4/5)

GiróscopoGiróscopo IDG-300IDG-300 Salida Análoga 0-3 VSalida Análoga 0-3 V Sensibilidad: 2 mV/º/sSensibilidad: 2 mV/º/s Error de integración: driftError de integración: drift

Error se acumula en el tiempoError se acumula en el tiempo DeberíaDebería entregar una buena entregar una buena

estimación en corto plazoestimación en corto plazo

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Electrónica de Control (5/5)Electrónica de Control (5/5)

Interfaz de UsuarioInterfaz de Usuario PIC18F252 + LCDPIC18F252 + LCD

Fuente SwitchingFuente Switching LM2576LM2576

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Electrónica de Potencia Electrónica de Potencia (1/3)(1/3)

Motores CCMotores CC NPC – T64, DC, con caja reductora 20:1NPC – T64, DC, con caja reductora 20:1 24 V, 1.6 HP, 230 RPM24 V, 1.6 HP, 230 RPM

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Electrónica de Potencia Electrónica de Potencia (2/3)(2/3)

Circuitos tipo Circuitos tipo Puente HPuente H Basado en 8 Basado en 8

mosfets mosfets IRFP2907 (2 por IRFP2907 (2 por rama).rama).

75 V, 90 A c/u75 V, 90 A c/u Capacidad Capacidad

teórica puente teórica puente H: 180 A!H: 180 A!

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Electrónica de Potencia Electrónica de Potencia (3/3)(3/3)

EnergíaEnergía 4 Baterías de gel 4 Baterías de gel

Ultracell UCG 18-12 en Ultracell UCG 18-12 en serieserie

12 V, 18 Ah = 48 V12 V, 18 Ah = 48 V Utilización en vehículos Utilización en vehículos

como carros de golf, como carros de golf, motos pequeñas, sillas motos pequeñas, sillas de ruedade rueda

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Diseño Mecánico (1/6)Diseño Mecánico (1/6)

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Diseño Mecánico (2/6)Diseño Mecánico (2/6)

Estructura de aceroEstructura de acero Contenida en diámetro de las ruedasContenida en diámetro de las ruedas

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Diseño Mecánico (3/6)Diseño Mecánico (3/6)

RuedasRuedas 50 cm de 50 cm de

diámetrodiámetro Masas Shimano Masas Shimano

para freno de para freno de discodisco

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Diseño Mecánico (4/6)Diseño Mecánico (4/6)

Acoplamiento Ruedas Acoplamiento Ruedas - Motor- Motor Pieza de duraluminio, eje Pieza de duraluminio, eje

de Acero 1040de Acero 1040

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Diseño Mecánico (5/6)Diseño Mecánico (5/6)

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Diseño Mecánico (6/6)Diseño Mecánico (6/6)

VolanteVolante

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Resultados (1/6)Resultados (1/6)

Principales CaracterísticasPrincipales Características Peso: 40 Kg.Peso: 40 Kg. Velocidad Máxima: ~ 6 km/hr Velocidad Máxima: ~ 6 km/hr Autonomía: ~5 hrs Autonomía: ~5 hrs Ángulo máximo: ~10ºÁngulo máximo: ~10º Radio de giro: 0 mRadio de giro: 0 m

VIDEOVIDEO

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Resultados (2/6)Resultados (2/6)

Problema IMU: giróscopoProblema IMU: giróscopo Baja sensibilidadBaja sensibilidad Valor de referencia ZRO Valor de referencia ZRO variablevariable Señal es ¿Giro o error?Señal es ¿Giro o error? Error adicional al driftError adicional al drift

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Resultados (3/6)Resultados (3/6)

IMU: giróscopoIMU: giróscopo Requiere corrección externaRequiere corrección externa No confiable para corregir inclinaciónNo confiable para corregir inclinación Sólo sentido de caídaSólo sentido de caída

ConsecuenciaConsecuencia Estimación sensible a movimientos bruscos Estimación sensible a movimientos bruscos

(corto plazo)(corto plazo) Vehículo tiende a oscilarVehículo tiende a oscilar Requiere mayor destrezaRequiere mayor destreza

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Resultados (4/6)Resultados (4/6)

Curva de aprendizajeCurva de aprendizaje Pruebas con pasajeros inexpertos: ~ 30 Pruebas con pasajeros inexpertos: ~ 30

minmin

Video 1Video 1 Video 2Video 2 Video 3Video 3

30

Resultados (5/6)Resultados (5/6)

Costos de MaterialesCostos de Materiales Electrónica de Control: Electrónica de Control: $388.970$388.970 Electrónica de Potencia: Electrónica de Potencia: $396.918$396.918 Motores y Baterías: Motores y Baterías: $736.544$736.544 Elementos Mecánicos: Elementos Mecánicos: $121.173$121.173 Otros: Otros: $19.875$19.875 Total Materiales: Total Materiales: $1.663.480$1.663.480

Costos internación: $506.665 (ya incluidos)Costos internación: $506.665 (ya incluidos)

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Resultados (6/6)Resultados (6/6)

Costos AdicionalesCostos Adicionales Mano de Obra:Mano de Obra: $3.200.000$3.200.000 Uso de Taller: Uso de Taller: $1.280.000$1.280.000

Costo Segway: Costo Segway: $4.300.000$4.300.000

Costo Total:Costo Total: $6.143.480$6.143.480

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ResumenResumen

Caminata Caminata humanahumana

Versiones Versiones existentesexistentes

Diferentes áreas Diferentes áreas de ingenieríade ingeniería

ImplementaciónImplementación IMUIMU

VideoVideo

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ConclusionesConclusiones

Se logró vehículo funcionalSe logró vehículo funcional Curva de aprendizaje más lenta Curva de aprendizaje más lenta

de lo esperadode lo esperado Requiere alta precisión en IMURequiere alta precisión en IMU Costos asociados relativamente Costos asociados relativamente

bajosbajos Primer prototipo en el paísPrimer prototipo en el país

Diseño e Implementación de Diseño e Implementación de Vehículo Autobalanceado sobre Dos Vehículo Autobalanceado sobre Dos RuedasRuedas

Leonardo Moreno B.Leonardo Moreno B.

¿Preguntas¿Preguntas??