Gruppe von Segway-PT-Fahrern mit Fahrradhelmen (hier in Washington, D.C., USA; 2006) | Quelle: Wikipedia | Lizenz: Creative Commons | Urheber: Richard from DC, US

28. September 2012

 

Lernen mit BeGeisterung!

Ein weiteres

faszinierendes Projekt

des BG Technik

 

 

Entwicklung eines Elektrorollers nach dem Vorbild Segway™

 

von Christoph Jost und

Dipl.-Ing. Andreas Althen

 

 

 

Auf Grund der Verknappung von fossilen Rohstoffen gewinnt die Nutzung von erneuerbaren Energien mehr und mehr an Bedeutung für die Personenmobilität. Ein sehr interessantes Konzept für innerstädtische Beförderung ist der Segway, welcher auf Grund seiner Große aber auch wegen des revolutionären Bedienkonzepts besticht.

 

Bedienkonzept

Der Segway besteht aus zwei parallel angeordneten Rädern, welche durch jeweils einen Elektromotor unabhängig voneinander angetrieben werden. Ähnlich wie bei einem Kettenfahrzeug lässt sich die Fahrtrichtung durch unterschiedliche Drehzahlen der Räder verändern.

 

Der Segway selbst hält dabei von sich aus durch eine aufwendige mikroprozessorgestützte elektronische Regelung immer das Gleichgewicht. Er wird lediglich durch die Gewichtsverlagerung nach vorne bzw. nach hinten beschleunigt bzw. abgebremst. Die Lenkstange dient einerseits als Haltegriff für den Fahrer wie auch zur Veränderung der Fahrtrichtung.

 

Warum ein Segway?

Wir wollen einen Segway bauen, da er unserer Meinung nach der ideale Begleiter für die Stadt ist. Durch seine geringe Größe lässt er sich überall parken.

 

Andererseits emittiert der durch seine Elektromotoren kein CO2 und verbessert somit die Luftqualität in der Innenstadt und leistet einen entscheidenden Beitrag zum Klimaschutz. Des Weiteren bietet der Segway einen guten Ersatz für das Auto in der Stadt. Jeder kann Segway fahren! Da der Segway alleine über Gewichtsverlagerung gesteuert wird, ist keine langwierige Ausbildung zum Erlernen der Steuerung nötig. Alt und Jung wird gleichermaßen mobilisiert und das Fahren macht Spaß!

 

Die besonderen technischen Herausforderungen

Der Kombi-Sensor – Gyroskop und Beschleunigungssensor auf einer Platine

Grundsätzlich versuchen wir, alle Komponenten von Fahrwerk über Leistungselektronik und Energieversorgung bis hin zur Programmierung des Mikrocontrollersystems so weit als möglich selbst zu konstruieren und zu bauen.

 

Für die oben bereits erwähnte Regelung der Gleichgewichtslage ist eine ausgeklügelte Sensorik notwendig. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Gyroskop (3D-Lagesensor) und einem Beschleunigungssensor.

 

Die so gewonnenen Informationen werden durch einen Mikrokontroller erfasst, um daraus in Echtzeit die Steuerbefehle für die beiden 500 W Elektromotoren zu berechnen. Diese wiederum werden über eine sehr leistungsfähige MOS-FET Transistorschaltung (H-Brücke) angesteuert. Hierbei müssen kurzzeitige Spitzenströme von weit über 100 A sauber verarbeitet werden können.

 

Als Mikrocontrollersystem kommt ein ArduinoMega zum Einsatz. Er verfügt über die nötige Rechenleistung und die entsprechenden Schnittstellen. Die ersten Tests in Verbindung mit der Sensoreinheit sind sehr vielversprechend. Große Probleme bereitet die Entwicklung der Leistungselektronik.

 

Zwar sind wir uns über den grundsätzlichen Aufbau der H-Brückenschaltung einig. Für die Realisierung müssen wir die doppelseitige Hauptplatine aber selbst fertigen, da professionelle Anbieter für die Herstellung eines Musters sehr viel Geld verlangen. So etwas rechnet sich nur bei anschließender Serienproduktion.

 

Wir haben uns also kurzer Hand zur Eigenproduktion entschlossen. Die Ausrüstung muss jetzt beschafft und das Verfahren erlernt werden – vielleicht in Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Chemie (Belichtung der Fotoplatinenrohlinge und Ätzen der Leiterbahnen).

 

Sollte der Prototyp auf der Basis des Holz-Chassis funktionsfähig sein, wird in Zusammenarbeit mit unserer Metallwerkstatt ein Aluminiumfahrwerk konstruiert, welches dann auch höheren Belastungen standhalten wird.

 

Wie weit sind wir?

Im Moment bauen wir einen Prototyp auf einer Holzplatte auf. Motoren und Räder sind bereits montiert. Außerdem funktioniert schon der Mikroprozessor zur Steuerung in Verbindung mit der Sensoreinheit.

 

Die meisten der aus privaten Mitteln bestellten Elektronikteile sind inzwischen eingetroffen, so dass wir uns an die Herstellung der Platine wagen können.

 

Näheres auch im Blog... 

Weitere topaktuelle Informationen und Videos finden Sie auf der Blogseite des Schülerteams:

http://diy-segway.blogspot.de/



 

 

21. Dezember 2012

 

Der Prototyp fährt! Das ist die gute Nachricht. Unsere Entwicklung funktioniert also grundsätzlich - sowohl mechanisch wie auch elektronisch.

Leider bereiten uns die Sensordaten ernste Probleme. Durch die PWM-Ansteuerung der Motoren kommt es zu sehr starken Schwingungen des Chassis im Bereich von ca. 500 Hz. Diese Schwingungen wirken sich störend auf den sehr empfindlichen Gyroskopsensor aus. Die Folge sind teilweise sehr starke Abweichungen der Winkelwerte. Diese Schwingungsüberlagerungen (Interferenzen) durch die beiden Motoren müssen reduziert bzw. beseitigt werden. Eine rein mechanische Entkoppelung ist kaum möglich, da Sensor und Chassis fest mit einander verbunden sein müssen. Anders kann die Neigung der Bodenplatte nicht zuverlässig gemessen werden.

 

Es bleibt uns also der Einsatz eines digitalen Filteralgorithmus nicht erspart. Hierbei werden die gemessenen Winkeldaten so verarbeitet, dass die unerwünschten Störsignale herausgefiltert werden. Ein solcher Filteralgorithmus ist sehr rechenaufwendig und leider auch nicht leicht zu verstehen. Wir sind selbst gespannt, ob wir eine Lösung finden, die weder uns noch unseren Ardiuno überfordert...

 

 

20. Januar 2013

 

Der Fehler in der Filterimplementation wurde Gefunden - der Prototyp fährt jetzt dauerhaft und sehr stabil!

Wenn man ein elementares Problem partout nicht in den Griff bekommt, stellt sich irgendwann unweigerlich die Frage, ob man nicht doch besser aufgibt. Diese Entscheidung wird einem manchmal aber durch die Kombination von Hartnäckigkeit und einem Quäntchen Glück abgenommen.

 

In unserem Fall stießen wir beim x-ten Durchgehen der verschiedenen Parameterkombinationen auf einen kleine Unstimmigkeit bezüglich eines Intergrationsintervalls - da war der Schlüssel zu Lösung! Der Lagewinkel wird jetzt hinreichend stabil berechnet und sein Drift hält sich in akzeptablen Grenzen. Flux die Regelkreisparameter angepasst und unser "Segway(TM)" schnurrt wie ein Kätzchen. Vorwärts - rückwärts - die Lenkung erzeugt keinerlei Ruckeln mehr - ein Traum!!!

 

Zwei Hauptprobleme bleiben bleiben:

  • Systembedingt "pfeifen" die Motoren währedn der Fahrt recht unangenehm bei ca. 500Hz. Das liegt an der PWM-Frequenz der Leistungsendstufen.
  • Ein Drehen im Stand ist nicht möglich, weil wir keine Drehzahlsensoren an den Rädern haben. Ohne die ist das nicht zu ralisieren, weil beide Räder entgegengesetzt drehen müssen, was bei normaler Fahrt und entsprechendem Lenkeischlag unweigerlich in einem Sturz enden würde.

Lösungsansätze:

  • Die PWM-Frequenz wurde auf 30kHz erhöht - die Enstufen verkraften dies offenbar anstandslos. Der Prototyp fährt jetzt absolut geräuschlos!
  • Unser Kooperationspartner Lenort+Bauer hat uns mit industriellen Drehzahlsensoren ausgestattet, die auch eine Drehrichtungserkennung ermöglichen. Zur Auswertung dieser Daten in Echtzeit werden wir vermutlich ein zweites Prozessorboard einsetzen müssen...

 

 

24. Januar 2013

 

Politik zeigt sich beeindruckt von den Projekten des BG Technik

"Hoher Besuch" überzeugte sich von unserer Arbeit und versprach Unterstützung bei der Kooperationspartnersuche.

Lesen Sie den Bericht hier... 

  

 


Mit unserer Bildergalerie halten wir Sie auch an dieser Stelle ein wenig auf dem Laufenden:

 

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