Diseño, implementación y control de un mecanismo de péndulo invertido con volante de inercia

Abstract

[ES] Un péndulo invertido consiste en un péndulo acoplado a un soporte, donde el objetivo es estabilizar el péndulo en posición vertical controlando el movimiento de la base. Una forma de lograr esto es mediante el uso de un volante de inercia o rueda de reacción, que es una masa giratoria que puede generar un par de torsión para contrarrestar el movimiento del péndulo. El presente trabajo tiene como finalidad mostrar el proceso de diseño e implementación de un prototipo de péndulo invertido con volante de inercia. El primer paso del proceso es el diseño de las piezas en un software de diseño CAD, en este caso SolidWorks. Las partes principales del modelo diseñadas fueron la base, el soporte, la rueda de reacción y el motor DC. Seguidamente, se exportan las piezas diseñadas y se procede a realizar simulaciones de funcionamiento con la ayuda de Simulink y la librería Simscape Multibody, este software se utilizó para analizar el comportamiento del modelo a fuerzas externas y de la misma forma implementar un bucle de control para mantener el péndulo en equilibrio. Verificado el comportamiento del sistema en las simulaciones, se procede a la implementación real. Para la implementación se utilizó Arduino y sus complementos, así como distintos sensores para obtener las medidas de inclinación del modelo y velocidad de la rueda y poder así, estabilizar el péndulo frente a perturbaciones externas.

[EN] This work covers all the previous studies and the process to follow for the construction of an inverted pendulum system with a reaction wheel. Each phase of the project, the components to be used and the difficulties encountered are explained in detail along this work. In the three-dimensional design phase, a detailed model of the inverted pendulum with reaction wheel has been developed. The pendulum, reaction wheel and the mounting have been designed with the use of SOLIDWORKS. Subsequently, the simulation of the system has been carried out using MATLAB and Simscape Multibody. Through the implementation of a realistic simulation environment, different control strategies have been evaluated and the behavior of the inverted pendulum with reaction wheel has been analyzed under various operating conditions. This has made it possible to optimize the controller parameters and to improve overall system performance. Finally, the physical implementation of prototype has been carried out. A physical prototype has been built based on the previously developed three-dimensional design and the optimized controller has been implemented. Extensive tests have been carried out to validate the operation of the system and to assess its stability and accuracy.