Robot auto-balanceado de dos ruedas con Arduino

Abstract

En los últimos años, la tecnología cada vez está más presente en las vidas cotidianas de las personas. Esto ha provocado que la robótica asuma un papel muy importante, no solo en la industria, sino también a nivel particular. La robótica es uno de los pilares más importantes y complicados de la ingeniería, donde múltiples disciplinas aportan su granito de arena para llevar a cabo un proyecto muy ambicioso. Además, gracias a esta cooperación surgen soluciones a distintos problemas que, de manera individual, se podrán utilizar en un futuro para otras aplicaciones. Debido a las ventajas que vienen con un diseño de dos ruedas auto-equilibrado, una serie de productos de consumo se han convertido recientemente en tendencias utilizados para el propósito de transporte humano. En el presente trabajo se diseña e implementa un robot de balanceo de dos ruedas vertical y auto-equilibrado que utiliza una Unidad de Medida Inercial y un controlador PID para mantener la estabilidad. Se implementa un microcontrolador adecuado para estabilizar el robot. Se utilizan dos tipos de sensores para proporcionar información de inclinación (acelerómetro y giroscopio) y el movimiento se realiza a través de motores de CD. Básicamente el robot lucha por mantenerse en vertical; cuando el sensor detecta una variación en el ángulo ideal (setpoint), los motores reaccionan moviéndose hacia esa dirección evitando la caída (el principio básico de un péndulo invertido), para lograrlo el controlador PID gobierna la salida hacia los motores de CD. Se apalanca esta caída moviendo continuamente las ruedas debajo del vehículo cuando cae. Si se inclina hacia delante, las ruedas giran hacia adelante para contrarrestar la caída. El trabajo contiene una discusión exhaustiva del sistema, incluyendo detalles sobre diseño, construcción, mecánica, la electrónica, software, y pruebas realizadas sobre el robot de auto-equilibrio.

In recent years, technology is increasingly present in people's daily lives. This has led to robotics assuming a very important role, not only in the industry, but also at particular level. Robotics is one of the most important and complicated fields of engineering, where multiple disciplines contribute to carry out a very ambitious project. In addition, thanks to this cooperation arise solutions to different problems that, individually, may be used in the future for other applications. Due to the advantages that come with a self-balanced two-wheeled design, a number of consumer products have recently become trends used for the purpose of human transportation. In the present work, a vertical and self-balanced two-wheel balancing robot is designed and implemented that uses an Inertial Measurement Unit and a PID controller to maintain stability. A suitable microcontroller is implemented to stabilize the robot. Two types of sensors are used to provide tilt information (accelerometer and gyroscope) and movement is performed through CD motors. Basically the robot struggles to stay vertical; when the sensor detects a variation in the ideal angle (setpoint), the motors react by moving in that direction avoiding the fall (the basic principle of an inverted pendulum), to achieve this the PID controller governs the output to CD motors. This fall is leveraged by continuously moving the wheels under the vehicle when it falls. If the robot lean forward, the wheels rotate forward to counteract the fall. The work contains an exhaustive discussion of the system, including details on design, construction, mechanics, electronics, software, and tests performed on the self-balancing robot.