Kugelroboter

[kehrblech]

Hallo,

nachdem ich mich schon mal mehr oder weniger erfolgreich mit dem Thema "Balancieren" beschäftigt habe, wollte ich dieses mal einen Roboter bauen, der in zwei Dimensionen das Gleichgewicht hält.
Ich habe also einen Roboter gebaut, der auf einer Kugel (Gymnastikball, ca. 40cm Durchmesser) balanciert. Er besteht fast nur aus einem omnidirektionalen Antrieb und Elektronik.

Um das Gleichgewicht halten zu können, muss er natürlich wissen, wo unten ist. Dazu hat er einen zweiachsigen Beschleunigungssensor (ADXL322) und zwei Gyros (ENC03R). Die Daten der Sensoren filtere ich im Moment noch mit einem Komplementärfilter, das soll aber mal ein Kalman-Filter werden.

Die beiden Balancier-Dimensionen (links/rechts und vor/zurück) werden unabhängig voneinander gesteuert.
Außerdem habe ich noch eine Fersteuerung für den Roboter gebaut, sodass man ihn gezielt in eine Richtung steuern kann. In dieser Fernsteuerung befindet sich ebenfalls ein Beschleunigungssensor, sodass man sie nur in die Richtung kippen muss, in die der Roboter fahren soll.
Das Balancieren funktioniert ganz gut, man muss nur aufpassen, dass der Roboter nicht zu schnell wird, weil er sonst irgendwann nicht mehr schnell genug reagieren kann. Die Funkverbindung zwischen der Fernsteuerung und dem Roboter habe ich mit dem RFM12-Funkmodul gebaut.

Geregelt wird der Roboter mit zwei PID-Reglern, jeder für eine Achse.
Auch die Reglerparameter können über die Fernsteuerung verändert werden. (Fernsteuerung ist vielleicht der falsche Begriff, eigentlich besteht sie nur aus einem Display, einem Funkmodul und etwas Elektronik.)
Während der Roboter balanciert, kann man sich am PC anzeigen lassen in welchem Winkel er gerade meint zu stehen, sodass man den Filter und Regler gut einstellen kann.

Ein kleines Video gibts auch.

Allerdings ist mir noch nicht eingefallen wofür so ein Roboter gut sein könnte. Es macht zwar Spaß ihn zu steuern und es sieht auch lustig aus, wenn er auf dem Ball herumhüpft, aber richtig sinnvoll scheint er nicht zu sein.

Gruß,
Jan

[Willa]

Wow, das ist ja ein super Teil! Schön gebaut und funktionieren tut es auch sehr gut!
Ich habe ein Projekt mit ähnlichen Herausforderungen:
Link
Könntest du mal umschreiben wie du den Komplementärfilter aufgebaut hast? Was hast du für Filter für die Gyro- / ACCsignale? Grenzfrequenz?

[Thomas$]

tolles projekt sieht super aus und zum zweck es kann vieleicht auf sehr weichem untergrund fahren weil der ball ja sher groß .
hast du mal probiert auf unwegsammen gelände zufahren? wieviel steigung kann man damit fahren?

[kehrblech]

Den Komplementärfilter habe ich hier abgeguckt. Bloß eben die Konstanten verändert bis der Winkel ganz gut stimmt.

Ich habe ein Projekt mit ähnlichen Herausforderungen

Ist es bei deinem Projekt eigentlich auch so, dass der Roboter, wenn er einmal etwas schräg liegt immer weiter in diese Richtung kippt (labiles Gleichgewicht)? Das ist mein Hauptproblem: Der Roboter rollt in eine Richtung weg und wird so schnell, dass die Motoren nicht schnell genug sind -> kippt um. Im Moment steuere ich durch kippen der Fernsteuerung dagegen, besser wäre es natürlich, wenn der Roboter das selbstständig tut.

Auf unebenem Gelände habe ich es noch nicht probiert, ich bin froh, wenn der Roboter oben bleibt. Wenn er stabiler läuft werde ich es sicher mal versuchen.

[Willa]

Danke für den Link zum Komplementärfilter. Werde mir das mal genauer anschauen und ggf ausprobieren.

Ist es bei deinem Projekt eigentlich auch so, dass der Roboter, wenn er einmal etwas schräg liegt immer weiter in diese Richtung kippt (labiles Gleichgewicht)?

Nein, mein Copter schafft es mittlerweile langsam und leicht um den 0° Winkel zu pendeln.
Das umkippen ist aber dann wohl kein Problem deiner Regelung, sondern eine Einschränkung der Aktoren... Da kannst du nur versuchen zu verhindern dass der Roboter zu schnell wird... Oder schnellere Motoren nutzen...

[Florian]

Hey, sehr schönes Projekt!
Habs leider nie so weit geschafft ... aber vielleicht inspiriert Dich ja folgender Link etwas!
http://www.msl.ri.cmu.edu/projects/ballbot/

Liebe Grüße
Florian

[kehrblech]

Oder schnellere Motoren nutzen...

Ich habe da noch etwas Reserven: bis jetzt sind die Akkus parallel geschaltet. Die Motoren würden aber auch die Spannung aushalten, wenn ich sie in Reihe schalte.

aber vielleicht inspiriert Dich ja folgender Link etwas!

Hat er schon. Daher habe ich nämlich die Idee. Da mein Versuch, eine Kugel als Rad zu benutzen, wie in dem Link, an der Reibung gescheitert ist, habe ich die Kugel einfach größer gemacht.

Der Komplementärfilter ist nichts besonderes. Das Signal wird auch nicht ganz gut gefiltert. Das wird bei mir auch noch ein Kalman-Filter. Ich wollte jetzt bloß erstmal testen, ob der Roboter grundsätzlich funktioniert.

[Besserwessi]

Der Kalmanfilter ist auch kein Wunderding. In der Regel bekommt man nach relativ kurzer Zeit für Kovarianzmatrix konstante stationäre Werte. Dadurch vereinfacht sich der Filter ungemein. Die Matrixinversion usw. kann dann nämlich mit den konstanten Werten einmal vorab machen und man bekommt auch nichts wesentlich anderes herraus als den Filter oben. Der wesenliche Unterschied ist, dass man Formeln bekommt wie man die beiden Filterparameter berechenen kann, wenn man die Genauigkeit der einzelen Sensoren kennt. Allerdings sind die Angaben zum Rauschen und anderen Fehlern der Sensoren oft nicht gerade sehr genau. Man bekommt also auch mehr eine erste Näherung für die Filterparameter. Für genauere Werte müßte man dann doch wieder probieren.

Aber immerhin hat man über den Kalman Filter einen Weg wie man berechnen kann wie so ein Filter aussehen kann, inclusive der Werte für die Parameter. Außerdem weiss man das der so erzeugte Filter fast optimal ist (sollte asymtotisch optimal sein, wenn ich mich richtig erinnere und ein paar Vorraussetzungen erfüllt sind). Wenn es also damit nicht geht, sollte man eher an den Sensoren arbeiten und nicht versuchen einen anderen Algorithmus zu suchen, denn viel besser gehts nicht.

[4apaev]

Hi, die Idee hatte ich auch schon gehabt, aber es ist an die Räder gescheitert. Omniräder das war die Lösung! Super! Damals hatte ich als Amphibien Roboter gedacht. Also Wasser und Grund, aber ich denke es dürfte keine Gummiball sein, weil schon kleine Sprünge sind tödlich.
Und wie du es geschafft hast ist wirklich super!
Grüß
Paul

[kehrblech]

Ich habe noch ein wenig weiter gebastelt. Der Roboter hat jetzt an den Achsen Lochräder, sodass er erkennen kann, wann er zu schnell wird. Die Auswerteelektronik fehlt noch, ich kann deshalb noch nicht sagen, ob er dadurch besser balanciert.

Damals hatte ich als Amphibien Roboter gedacht. Also Wasser und Grund, aber ich denke es dürfte keine Gummiball sein, weil schon kleine Sprünge sind tödlich.

Das verstehe ich nicht richtig. Ein Roboter der auf einer Kugel auf dem Wasser balanciert? Oder "nur" auf dem Wasser und dem Grund normal (ohne balancieren) herumfährt?

Ich habe auch Bilder der Fernsteuerung gemacht. Das Display ist von Pollin (120346), der Rest ist die standart µC Beschaltung + RS232 und RFM12.