Diseño e Implementación de Vehículo Autobalanceado sobre Dos Ruedas Leonardo Moreno B.

Contenidos Contextualización Descripción del sistema Antecedentes previos Objetivos del trabajo Aspectos Técnicos Análisis de resultados Resumen y conclusiones

Contextualización (1/2) Necesidad de descongestionar calles Tramos cortos Viajes Repetitivos Problema de la última milla Contaminación

Contextualización (2/2) Alternativas de solución: Bicicletas Autos Eléctricos Buenos zapatos Año 2001: primer vehículo de autobalanceo comercial - Segway

Descripción del Sistema (1/2) Péndulo invertido Equilibrio análogo al ser humano Velocidades entre caminata y bicicleta Gran maniobrabilidad

Descripción del Sistema (2/2)

Antecedentes previos Versiones comerciales: Segway (2001), Winglet PT (2008) Costo Segway básico: $ 4.300.000 Versiones caseras Aplicaciones: vigilancia, publicidad, discapacitados, elite

Objetivos del trabajo Construcción de modelo funcional a escala real Curva de aprendizaje rápida

Aspectos Técnicos Modelación y Control Electrónica de Control Electrónica de Potencia Diseño Mecánico

Modelación del sistema

Control a implementar: PD

Electrónica de Control (1/5) Unidad de Control DSP TMS320F2808 8 salidas PWM (4 por motor) 8 entradas ADC 4 puertos seriales Acelerómetro + gyro

Electrónica de Control (2/5) IMU: Inertial Measurement Unit Estimación de orientación Giróscopo Acelerómetro +

Electrónica de Control (3/5) Acelerómetro ADIS16203 Interfaz SPI 0.025º de resolución (14 bits) Tiempo de muestreo: ~1 ms Medición en base a gravedad Errores en aceleraciones externas Buena estimación en largo plazo

Electrónica de Control (4/5) Giróscopo IDG-300 Salida Análoga 0-3 V Sensibilidad: 2 mV/º/s Error de integración: drift Error se acumula en el tiempo Debería entregar una buena estimación en corto plazo

Electrónica de Control (5/5) Interfaz de Usuario PIC18F252 + LCD Fuente Switching LM2576

Electrónica de Potencia (1/3) Motores CC NPC – T64, DC, con caja reductora 20:1 24 V, 1.6 HP, 230 RPM

Electrónica de Potencia (2/3) Circuitos tipo Puente H Basado en 8 mosfets IRFP2907 (2 por rama). 75 V, 90 A c/u Capacidad teórica puente H: 180 A!

Electrónica de Potencia (3/3) Energía 4 Baterías de gel Ultracell UCG 18-12 en serie 12 V, 18 Ah = 48 V Utilización en vehículos como carros de golf, motos pequeñas, sillas de rueda

Diseño Mecánico (1/6)

Diseño Mecánico (2/6) Estructura de acero Contenida en diámetro de las ruedas

Diseño Mecánico (3/6) Ruedas 50 cm de diámetro Masas Shimano para freno de disco

Diseño Mecánico (4/6) Acoplamiento Ruedas - Motor Pieza de duraluminio, eje de Acero 1040

Diseño Mecánico (5/6)

Diseño Mecánico (6/6) Volante

Resultados (1/6) Principales Características Peso: 40 Kg. Velocidad Máxima: ~ 6 km/hr Autonomía: ~5 hrs Ángulo máximo: ~10º Radio de giro: 0 m VIDEO

Resultados (2/6) Problema IMU: giróscopo Baja sensibilidad Valor de referencia ZRO variable Señal es ¿Giro o error? Error adicional al drift

Resultados (3/6) IMU: giróscopo Consecuencia Requiere corrección externa No confiable para corregir inclinación Sólo sentido de caída Consecuencia Estimación sensible a movimientos bruscos (corto plazo) Vehículo tiende a oscilar Requiere mayor destreza

Resultados (4/6) Curva de aprendizaje Pruebas con pasajeros inexpertos: ~ 30 min Video 1 Video 2 Video 3

Resultados (5/6) Costos de Materiales Electrónica de Control: $388.970 Electrónica de Potencia: $396.918 Motores y Baterías: $736.544 Elementos Mecánicos: $121.173 Otros: $19.875 Total Materiales: $1.663.480 Costos internación: $506.665 (ya incluidos)

Resultados (6/6) Costos Adicionales Mano de Obra: $3.200.000 Uso de Taller: $1.280.000 Costo Total: $6.143.480 Costo Segway: $4.300.000

Resumen Caminata humana Versiones existentes Diferentes áreas de ingeniería Implementación IMU Video

Conclusiones Se logró vehículo funcional Curva de aprendizaje más lenta de lo esperado Requiere alta precisión en IMU Costos asociados relativamente bajos Primer prototipo en el país

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