Golyó a keréken demonstrációs eszköz

Abstract

A „golyó a keréken” problémában egy golyót kell egyensúlyozni a biciklikerék tetején. Ez egy általánosan ismert iskolapélda az irányítástechnika szakterületén [1], hasonlóan a jól ismert „fordított inga” vagy a „reaction wheel” problémákhoz. A SISO szabályozás bemente a golyó pozíció, kimenete a motor feszültség. A modell alkotás Newton és Lagrange módszerrel készült, amelyek után a motor paraméter identifikáció és a szabályozó tervezés követte PID, állapot visszacsatolás, állapot becslővel és LQ [2] szabályozókkal Scilab, Xcos és Octave-CLI fejlesztőkörnyezetben. A motorhoz HALL szenzoros hajtás került megvalósításra Arduino-CLI-Nano fejlesztő környezetben. Mivel a legegyszerűbb, legköltséghatékonyabb oktatási összeállításra törekedtem, ezért Linux-os operációs rendszeren, akár PC-n vagy például Raspberry PI számítógép platformon futtatható a szabályozó Octave szkript. A számítógép UART interfészen kommunikál az Arduino Nano kártyával, ahol analóg pozíció érzékelés történik Tsample = 20-100msec időzítéssel, amit a Linux delegált CPU-core-ja elegendő pontossággal kiszolgál. Az Arduino végzi a BLDC motor hajtást a kapott motor kapocsfeszültség alapján. Az összeállítással megmutatható a modellalkotás, motor paraméter identifikáció, szabályozó tervezés menete, továbbá vizsgálható a szabályozók érzékenysége és robusztussága.