Diseño e implantación de un control 3D para un cubo mediante volantes de inercia

Abstract

El proyecto trata de conseguir el prototipo de una cara de un cubo que, mediante un control sobre el giro de un volante de inercia, pueda levantarse y equilibrarse sobre un eje situado en una de sus esquinas. Se ha basado el diseño en los primeros pasos de la tesis sobre "The Cubli: a Cube that can jump up and balance" del EHT de Zurich, que supone realizar el control sobre una cara. Los primeros pasos han sido el diseño en 3D de la estructura y la localización y adquisición de los componentes. Entre ellos destaca como microcontrolador una Raspberry Pi Zero W, un motor EC MAXON brushless y dos IMUs(Inertial Measurement Unit), así como los elementos necesarios para la alimentación de estos. Se recreo el sistema mediante un modelo matemático que se usaría posteriormente para el diseño del control por realimentación de estados. Una parte importante del proyecto se ha basado en la correcta adquisición y procesado de las medidas, para que lleguen al control perfectamente escaladas y fiables, especialmente el ángulo de inclinación. Una vez el control es estable y cumple las especificaciones requeridas se pasa a implantar en el prototipo, que previamente se ha fabricado y montado gracias a los diseños en 3D previamente mencionados. La configuración y medida de los sensores tuvo resultados más que satisfactorios, así como el control escindido de los diversos actuadores. En la prueba de conjunto, hubo problemas de sobre-tensión en el motor, por un exceso de corriente requerida en el elevador, y de vibraciones, debidas al ensamblaje del volante de inercia, que no se pudieron revertir a tiempo para la implantación de un control fiable. Para futuros proyectos relacionados se plantea la mejora del equilibrado y amortiguación del volante de inercia, como el incremento de potencia permitida por el elevador.

The project tries to get the prototype of a face of a cube that, by means of a control over the rotation of a flywheel, can be lifted and balanced on an axis located in one of its corners. The design has been based on the first steps of the thesis on "The Cubli: a Cube that can jump up and balance" of the Zurich EHT, which entails controlling on one side. The first steps have been the 3D design of the structure and the location and acquisition of the components. Among them, a Raspberry Pi Zero W, a brushless MAXON EC motor and two IMUs (Inertial Measurement Unit), as well as the necessary elements for feeding them, stand out as microcontrollers. The system was recreated by a mathematical model that would later be used to design the control by state feedback. An important part of the project has been based on the correct acquisition and processing of the measurements, so that they reach the control perfectly scaled and reliable, especially the angle of inclination. Once the control is stable and meets the required specifications, it is implanted in the prototype, which has been previously manufactured and assembled thanks to the aforementioned 3D designs. The configuration and measurement of the sensors had more than satisfactory results, as well as the split control of the various actuators. In the overall test, there were problems of over-voltage in the motor, due to an excess of current required in the elevator, and vibrations, due to the assembly of the flywheel, which could not be reversed in time for the implementation of a reliable control. For future related projects, the improvement of balancing and damping of the flywheel is proposed, as the increase in power allowed by the lift.