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PFC SEGWAY 2013 ITTSE

Proyecto final de carrera ITTSE 2013
by

Javier Martínez Verdú.

on 9 September 2013

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Transcript of PFC SEGWAY 2013 ITTSE

DISEÑO Y CONSTRUCIÓN DE UN PROTOTIPO
SEGWAY
¿QUÉ ES UN SEGWAY?
SEGWAY
CONTROL
DE GIRO
SENSORES
RUEDAS
MOTORIZADAS
INDICADOR
DE ÁNGULO
BATERÍA
OBJETIVOS DEL PROYECTO
DISEÑAR Y CONSTRUIR UN PROTOTIPO SEGWAY
ESTRUCTURA
PUENTE H
S.CORRIENTE
PWM
PUENTE EN H
PESO 3,2Kg
ALTO 0,5 m
ANCHO 0,32m
FONDO 0,12m
SISTEMA INESTABLE
2
3
4
5
10.
11.
12
14.
SEGWAY
CONTROL
DE GIRO
SENSORES
MOTORES
INDICADOR
DE ÁNGULO
BATERÍA
3.
MOTORES
FOTOGRAFÍA DEL MONTAJE DE MOTORES
POTENCIA
30W
V.NOM
12V
REDUCTOR
30:1
ENCODER
Res 360p/v
PESO 3,2Kg
ALTO 0,5 m
ANCHO 0,32m
FONDO 0,12m
7.
PUENTE EN H
PUENTE EN H
C.CORRIENTE
CAPTURAS
DE
TENSIÓN
Y
CORRIENTE
DE
MOTOR

SENSORES
Giróscopo
GIRÓSCOPOS
X,Z
100º/S
10mV º/S
SENSORES
Giróscopos
Acelerómetros
MMA7260QT
TRES EJES
X,Y,Z
1.5g
800mV/g
CPU
PIC-18F4550
CLOCK 48Mhz
USB
A/D
ICSP
PUERTO SERIE
E/S DIGITALES
EEPROM
RECURSOS UTILIZADOS
WIFI
Módulo WiFly GSX/EZX RN-171
IEE80211g
TCP/IP
ADHOC
115200b
3.3V
RECURSOS
UTILIZADOS
2.4Ghz.
RESET Y SELECCIÓN MODO
ADAPTADOR TENSIONES
ADAPTADOR TENSIONES
CONEXIONADO MÓDULO WIFI
Módulo WiFly GSX/EZX RN-171
IEE80211g
TCP/IP
ADHOC
115200b
3.3V
RECURSOS
UTILIZADOS
2.4Ghz.
RESET Y SELECCIÓN MODO
ADAPTADOR TENSIONES
ADAPTADOR TENSIONES
CONEXIONADO MÓDULO WIFI
RS232
USB

RS232
USB
USB 2.0
RS232: 115200b
ESQUEMA RS232
COMUNICACIONES Y CONTROL
Módulo WiFly GSX/EZX RN-171
IEE80211g
TCP/IP
ADHOC
115200b
3.3V
RECURSOS
UTILIZADOS
2.4Ghz.
RESET Y SELECCIÓN MODO
ADAPTADOR TENSIONES
ADAPTADOR TENSIONES
CONEXIONADO MÓDULO WIFI
LCD
FILTRO DE KALMAN
ÁNGULO ACTUAL
C. PROPORCIONAL
C.DERIVATIVA
OFFSET ÁNGULO
C. GIRO Z
DUTY APLICADO A CADA MOTOR
CÓDIGO DEL SEGWAY
Rutina de interrupción cada 10ms
Lee sensores
Calcula ángulo
Aplica duty
Guarda datos para TX
Rutina principal
Lee y escribe entrada Wifi
Manda datos al LCD
Ejecuta comandos
SOFTWARE PC
ENTORNO GRÁFICO CON MATLAB
Permite modificación variables
Representa gráfica del ángulo
Navegación básica experimental
HIPERTERMINAL
Permite todas las acciones anteriores
SEGWAY EN FUNCIONAMIENTO
7
12
14
15
16
18
20
22
24
25
27
28
31
32
33
23.
1
Autor:
JAVIER MARTÍNEZ VERDÚ
Director:
JOSE MIGUEL ESPÍ HUERTA
6
ESTRUCTURA SEGWAY
8
10
11
13
9
17
19
21
23
26
30
ESTRUCTURA
Se deben poder reproducir problemas que surgirían en un modelo real.
CONTROL MICROPROCESADO
El control a diseñar debe ser capaz de estabilizar el segway, además de gestionar las comunicaciones.
MODELADO
Se fijarán las bases físicas y matemáticas en las que se apoyará el control.
CONTROL DIRECTO DE PAR
Para manejar los motores de manera adecuada se diseñará un control en modo corriente.
TELEMETRÍA
En cuanto a la telemetría, se establecerá una comunicación bidireccional inalámbrica con un PC, lo más rápida y robusta posible.
SOFTWARE DE CONTROL
El software a diseñar se encargará de la estabilización del Segway, obtención de las medidas , actuación sobre el lazo de corriente y gestión de las comunicaciones.
DRIVER DE POTENCIA
El driver a diseñar debe ser capaz de entregar corrientes suficientemente importantes, como para poder reproducir posibles problemas en un modelo a escala real.
SOFTWARE DE PC
En base al entorno GUIDE de MATLAB se creará una gráfica representando el ángulo que describe el Segway en cada momento. Además, deberá ser posible la modificación de variables de control y el salvado de las mismas en memoria EEPROM.
29
CONCLUSIONES
Se ha logrado
diseñar y construir un modelo funcional.
El
driver
se comporta bien,
puede manejar corrientes importantes
sin calentamientos.
El
control de corriente
ha resultado indispensable para el manejo de los motores. La modulación directa del par
simplifica la dinámica real del sistema
a controlar, reduciendo su orden.
El
procesado a 48Mhz
y la capacidad de
depurado y programación
del microcontrolador
por USB
, han facilitado el diseño del software de control. Se ha dispuesto un
puerto I2C para futuras ampliaciones
.
En cuanto a las
comunicaciones,
se efectúan
a 115200

baudios
sin problemas. El
módulo Wifi
ha sido una elección correcta, se comporta de manera excelente.
Se han instalado
tres acelerómetros y dos giróscopos
, en un principio la medida del ángulo se veía muy comprometida con los ruidos mecánicos, pero la incorporación del
filtro de Kalman
ha sido determinante para subsanar este problema.
En cuanto a la
estructura
, se han diseñado dos, la primera en metacrilato y la segunda
en aluminio.
Siendo ésta última la utilizada, con un peso de
tres kilos doscientos gramos
es robusta y se maneja
sin problemas con los motores elegidos
.
El código implementado no satura las posibilidades del microcontrolador
, utiliza el 63% de memoria de programa y el 31% de RAM, por lo que
permite ampliaciones o modificaciones
importantes, todo ello
corriendo la rutina de interrupción a 100Hz
.
La
programación de la EEPROM
para el guardado de los datos permite el guardado de las variables de ajuste, facilitando de esta manera la sintonización del control.
La
telemetría básica
permite
transmitir el ángulo y modificar parámetros del control,
desde un terminal
TCP/IP
o
Matlab
.
También se ha completado mediante el
diseño 3D de la estructura,
un
modelo

de realidad virtual
para poder ser utilizado con Matlab en ampliaciones futuras.
34
CAPTURA DE CORRIENTE Y REFERENCIA
CARACTERÍSTICA DE TRANSFERENCIA
ESQUEMA INTERNO
SENSADO DE CORRIENTE
14
Diseño y
construcción
de un
prototipo
Segway
Proyecto final de carrera de Ingeniería Técnica de Telecomunicación
(Especialidad Sistemas Electrónicos).

Autor: D. Javier Martínez Verdú.



Julio 2013
Director: D. Jose Miguel Espí Huerta.
20
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