Diseño y construcción de un prototipo Segway

Abstract

[EN] This final master's work focuses on the design of a motorized vehicle on two wheels, approaching from the theoretical study of its operation to its programming to obtain a stable control, through the choice of design specifications and manufacturing of both electronics and of the structure of the same. A Segway is a means of single-passenger transport supported by two wheels aligned by their axes of rotation. It has two motors that control at all times the balanced position of a platform used to support the pilot. Emulating this type of transport, it has been designed in the present work, a structure that supports all the components, equipped with two motors that allow it to correct the angle and therefore to maintain the balance. It has also been arranged that it can make turns and move, although this is not the objective of the project. As for prototype communications, two communication modes are used, USB (RS-232) mode, used for debugging and programming, and a Bluetooth mode used for control. The design of the structure was done using CAD techniques in 3D, using the software SolidWorks, in the annex you can see the design of the parts. Finally, it is intended that the prototype created for the test of control, be a platform that can be applied to the development of practices in educational means, that can be used in laboratories of the subject embedded systems since it can be used as an interesting practice where The students can see a practical case of microcontroller performance, Bluetooth, stepper motors... The document begins with a brief general introduction to the history of the inventor of the Segway, after which the objectives of the work are detailed. Subsequently the distribution of tasks in which the project consists and its temporal planning is shown. The following is a detailed discussion of all phases of prototype development: Selection of specifications, dynamic study, structural design, component selection and integration, vehicle programming, stability parameter adjustment and budget elaboration. Finally, the results obtained are extracted, conclusions are drawn from the work carried out and possible improvements of the vehicle are proposed.

Se pretende diseñar y construir un prototipo de robot móvil sustentado con dos ruedas, siguiendo el principio del péndulo invertido. El prototipo tendrá las características apropiadas para que sea posible, a partir de los resultados obtenidos, acometer la construcción de un modelo real, adecuado para implementarlo como práctica en la asignatura del máster MUISE de Sistemas Embebidos. Además, se realizarán las siguientes tareas:

Seleccionar, montar y comprobar drivers de potencia adecuados para controlar los motores pasó a paso. Puesto que es un robot que se va a mover, se deberá usar una batería. Familiarización de los sistemas basados en microcontroladores, tanto a nivel hardware como software. Control electrónico microprocesado: El control electromagnético tendrá que ser capaz de la estabilización, pero además se dotará de un módulo Bluetooth para su control mediante un móvil y/o PC, por lo que será necesario que gestione las comunicaciones. El firmware de control se encargará también de la estabilización del robot mediante la medida de la sensorización, actuación sobre los drivers de potencia y control por comandos vía Bluetooth. Finalmente, diseñar el equipo completo, atendiendo a criterios funcionales, estéticos y económicos.

[CA] Aquest treball final de màster se centra en el disseny d'un vehicle motoritzat a dues rodes, abordant des de l'estudi teòric del seu funcionament fins a la seva programació per obtenir un control estable, passant per l'elecció d'especificacions de disseny i fabricació tant de l'electrònica com de l'estructura del mateix. Un Segway és un mitjà de transport unipersonal sustentat per dues rodes alineades pels seus eixos de rotació. Disposa de dos motors que controlen en tot moment la posició d'equilibri d'una plataforma utilitzada per suportar el pilot. Emulant a aquest tipus de transport, s'ha dissenyat en el present treball, una estructura que suporta tots els components, equipat de dos motors que li permeten corregir l'angle i per tant mantenir l'equilibri. També s'ha disposat que pugui efectuar girs i traslladar-se, encara que aquest no és l'objectiu del projecte. Pel que fa a les comunicacions de prototip, s'utilitzen dos modes de comunicació, mode USB (RS-232), utilitzat per a la depuració i programació, i una manera Bluetooth que s'utilitza per al control. El disseny de l'estructura s'ha realitzat amb tècniques de CAD en 3D, utilitzant el programari SolidWorks, a l'annex es pot veure el disseny de les peces. Es pretén finalment, que el prototip creat per a l'assaig del control, sigui una plataforma que pugui aplicar-se al desenvolupament de pràctiques en mitjans docents, que pugui ser utilitzada en laboratoris de l'assignatura de sistemes encastats ja que es pot utilitzar com una pràctica interessant on els alumnes poden veure un cas pràctic del funcionament del microcontrolador, Bluetooth, motors pas a pas ... El document comença amb una breu introducció general de la història de l'inventor del Segway, després del que es detallen els objectius de la realització de la feina. Posteriorment es mostra la distribució de tasques en què consisteix el projecte i la seva planificació temporal. A continuació s'aborden en detall totes les fases del desenvolupament del prototip: Selecció d'especificacions, estudi dinàmic, disseny estructural, selecció i integració dels components, programació del vehicle, ajust de paràmetres d'estabilitat i elaboració del pressupost. Finalment es mostren els resultats obtinguts, es procedeix a l'extracció de conclusions del treball realitzat i es proposen possibles millores del vehicle.