Construcción y control de un vehículo eléctrico autobalanceado de dos ruedas para transporte unipersonal

Abstract

The design, construction and control of a unipersonal two-wheeled autobalance vehicle is presented in this thesis. The transportation of one person from one place to another on the two-wheeled autobalanced vehicle is the main aim of this work. The mechanical structure consists in three parts: an aluminium base which supports the pilot and houses the batteries, the drivers, motors and the main board, wheels for moving the vehicle and the handlebar which helps to the pilot to drive the vehicle, also the handlebar has been equipped with the control panel and the direction commands (joysticks) of the vehicle. The DC motor model and the viscous friction terms are added to an existing mathematical model for the mechanical subsystem which was obtained by the Euler-Lagrange method. A main board with two microcontrollers, an accelerometer-gyro pair and a pair of encoders form the electronic part of the vehicle. The main board reads the four sensors, evaluates the control algorithm and sends the control signals to the motor drivers to move the wheels, the accelerometer-gyro pair measures the tilt angle, while the encoders mounted in the wheels measure the angular velocity of the wheels for balancing the vehicle. Two 12 volt gel batteries feed all the electronics devices. The Recharge of the batteries is easy because the batteries can be recharged within the vehicle. A classic PID controller with antiwindup and death zone compensation and a minimun fuzzy PD controller are implement and compared in this work. XC16 and CCS are the compilers used for programming the microcontrollers in the main board. The real time and numerical simulation results are presented at the end of this thesis.

En este trabajo se presenta el diseño, construcción y control de un vehículo de dos ruedas autobalanceado para transporte unipersonal. El principal objetivo de este trabajo fue la construcción de un vehículo de dos ruedas autobalanceado con la capacidad para transportar a una persona de un lugar a otro. Uno de los principales retos para lograr esto es la implementación de controladores que permitan lograr el balanceo del vehículo. El vehículo construido estructuralmente cuenta con tres partes fundamentales, una base construida de aluminio, la cual sirve de apoyo para el piloto, además de albergar los motores, drivers, baterías y la tarjeta de control del sistema, las llantas sobre las cuales se desplaza el vehículo y el manubrio que facilita el manejo al piloto y que lleva montado un display donde se pueden observar las variables del sistema. En la parte matemática, se consideraron términos de fricción viscosa y el modelo de un motor de DC y se agregaron a un modelo ya existente de la parte mecánica, el cual fue obtenido por el método de Euler-Lagrange. En la parte electrónica, el vehículo cuenta con una tarjeta principal donde por medio de dos microcontroladores se obtienen las lecturas de los sensores, se evalúa el algoritmo de control y se envían las señales de control a los drivers de los motores de CD los cuales mueven las llantas del vehículo. En la parte del sensado, es usado un par acelerómetro-giroscopio para medir el ángulo de inclinación del vehículo y un par de encoders acoplados a las echas de cada uno de los motores para obtener la medición de la velocidad de giro de las llantas. Toda la parte electrónica se alimenta con dos baterías de Gel de 12 Volts conectadas en serie, las baterías pueden ser cargadas sin retirarlas del vehículo lo cual facilita su manejo