Diseño, implementación y control de un péndulo invertido con rueda de reacción

Abstract

[ES] El presente documento contiene el Trabajo de Fin del Máster Universitario en Ingeniería Mecatrónica de la Universitat Politècnica de València dirigido por Vicente Fermín Casanova Calvo y desarrollado por Ivan Augusto Duarte Olivares, durante el segundo curso del máster. El proyecto trata sobre el desarrollo de un prototipo de la variante de péndulo invertido, estabilizado a través de una rueda de reacción. Una investigación previa sobre el problema del Péndulo Invertido y las diferentes variantes de este se ha realizado primero, antes de abordar el tema de la simulación, diseño y construcción. Dicha investigación contempla, además, información sobre la rueda de reacción y las diferentes aplicaciones de esta y del modelo del péndulo invertido con rueda de reacción. Para el desarrollo del prototipo se ha realizado un planteamiento matemático del modelo, la validación de este utilizando las herramientas de Matlab y Simulink. La validación consiste en verificar el comportamiento del sistema de ecuaciones en caída libre, con y sin fricción, para luego realizar un control simple del modelo para estabilizarlo en la vertical con un regulador PID. Se ha después un modelado tridimensional con SolidWorks y luego simulación de la física del modelo con las herramientas de Simscape Multibody Multiphysics. Esta simulación contempla el comportamiento del motor de manera realista y de las interacciones entre los cuerpos del modelo 3D con las fricciones de las juntas. El control de este es más completo, ya que aparte de la estabilización en la vertical, se ha conseguido realizar el levantamiento del péndulo y el seguimiento de referencias senoidales y triangulares satisfactoriamente. Finalmente, se han impreso en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño las piezas diseñadas y se ha construido el prototipo del péndulo invertido con rueda de reacción. Se ha realizado el control del prototipo en un Arduino DUE con un regulador PID, logrando el rechazo de perturbaciones en posición vertical, el levantamiento desde un ángulo obtenido experimentalmente y se ha intentado realizar también el seguimiento de una referencia senoidal.