Diseño y construcción de un ciclomotor de dos ruedas autobalanceado a escala real como medio de transporte urbano

El presente trabajo contempla el desarrollo e implementación de un ciclomotor de dos ruedas auto balanceado, el cual tiene como característica principal el uso de dos llantas concéntricas (paralelas), una a cada lado, generando un sistema inestable, el cual es controlado por la implementación de un...

Full description

Autores:
Pinto Vásquez, Luisa Fernanda
Galeano Blanco, Verónica Andrea
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2017
Institución:
Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
Repositorio:
Repositorio UNAB
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/1607
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/1607
Palabra clave:
Mechatronic Engineering
Motor vehicles
Prototype development
Investigations
Analysis
Inverted pendulum control
Tilt angle
Prototype
Sensors
Mathematical model
Auto-balanced
Gyroscope
Accelerometer and simulations
Ingeniería mecatrónica
Vehículos de motor
Desarrollo de prototipos
Investigaciones
Análisis
Control péndulo invertido
Ángulo de inclinación
Prototipo
Sensores
Modelo matemático
Auto-balanceado
Giroscopio
Acelerómetro y simulaciones
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description El presente trabajo contempla el desarrollo e implementación de un ciclomotor de dos ruedas auto balanceado, el cual tiene como característica principal el uso de dos llantas concéntricas (paralelas), una a cada lado, generando un sistema inestable, el cual es controlado por la implementación de un control PD, permitiendo accionar los motores acoplados a cada una de las ruedas de acuerdo a la inclinación que el usuario ejerza sobre el vehículo. Para llevar a cabo este proyecto, el desarrollo de este vehículo se dividió en tres etapas: diseño, construcción y control del prototipo. En la primera etapa se realizó el diseño del prototipo empleando la herramienta asistida por computador y validando su resistencia al suministrar una carga. En la etapa de construcción se tuvo en cuenta el tamaño de los actuadores y ubicación de la electrónica. Para la etapa final, fue fundamental realizar un análisis dinámico utilizando herramientas computacionales de simulación como MatLAB-Simulink para poder conocer el comportamiento y las variables que definen el control del prototipo, permitiendo la integración del software con el hardware. El objetivo final del proyecto es crear un vehículo que tenga un impacto favorable respecto a los problemas que afectan a la sociedad, como lo son la movilidad y la contaminación ambiental producida por los medios de transporte que funcionan a partir combustibles fósiles.
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[21] Ogata, Katsuhiko. Ingeniería de control moderna: Introducción a los sistemas de control. Madrid (España): Pearson Educación, S.A., 2010. 24 p. ISBN: 978-84-8322-660-5
[22] Ogata, Katsuhiko. Ingeniería de control moderna: Introducción a los sistemas de control. Madrid (España): Pearson Educación, S.A., 2010. 25 p. ISBN: 978-84-8322-660-5.
[23] Diagrama de bloques de un control PID. Imagen obtenida de la red con la URL: http://control-pid.wikispaces.com/
[24] Acelerómetro capacitivo basado en MEMS. Imagen obtenida de: Falcomi Loja, Victor Esteban; Villar Fernández, Ignacio. Diseño e implementación en PCB de un robot auto-balanceado mediante Arduino con módulo inalámbrico. Pamplona, 2015. Trabajo de grado (Ingeniería eléctrica y electrónica). Universidad Pública de Navarra. E.T.S. de Ingeniería Industrial Informática y de Telecomunicación. P. 21.
[25] Vista operativa interna de un sensor giroscópico MEMS. Imagen obtenida de: Falcomi Loja, Victor Esteban; Villar Fernández, Ignacio. Diseño e implementación en PCB de un robot auto-balanceado mediante Arduino con módulo inalámbrico. Pamplona, 2015. Trabajo de grado (Ingeniería eléctrica y electrónica). Universidad Pública de Navarra. E.T.S. de Ingeniería Industrial Informática y de Telecomunicación. P. 22.
[26] Motor MY1018. Imagen obtenida de la red con la URL: https://www.motiondynamics.com.au/images/magictoolbox_cache/80543c918ed05ba09145ba56f4b3651f/3/0/30252/original/4091894656/1018_1.png
[27] Motor Brushless. Imagen obtenida de la red con la URL: http://www.cochesrc.com/attachments/snap504.jpg-f11644
[28] Partes de una cadena. Imagen obtenida de: Calero Pérez, Roque; Carta González, José Antonio. Fundamentos de mecanismos y máquinas para ingenieros. España: McGRAW-HILL/INTERAMERICA DE ESPAÑA S.A.U., 1999. 270, p. ISBN: 84-481-2099-X
[29] Interior de un rodamiento de bolas. Imagen obtenida de la red con la URL: https://www.dirind.com/dim/imagenes/clasificaciones/monografias/baleros/baleros6.jpg
[30] PWM. Imagen obtenida de: Torrente Artero, Óscar. ARDUINO Curso práctico de formación: Librerías Arduino. México: Alfaomega Grupo Editors, S.A., 2013. 92 p. ISBN: 978-84-940725-0-5
[31] Esquema de un puente H. imagen obtenida de la red con la URL: https://minibots.files.wordpress.com/2015/01/giros_en_puente_h.gif
[32] Modelo matemático del motor eléctrico. Modelo matemático del motor eléctrico obtenido de: Hoff, Romina A; Krujoski, Matías G; Viera, Juan R. Modelación de sistemas. Función de transferencia y diagramas de bloques. Oberá, Misiones, 2014. Informe de trabajo práctico (Ingeniería electrónica). Universidad Nacional de Misiones. Facultad de ingeniería. P. 14
[33] Parámetros del motor DC. Formula obtenida de Quijano, Manuel G; Hernández, Carlos G. Obtención experimental de los parámetros del motor que se utilizará en el sistema de locomoción de una esfera rodante. Bucaramanga, Colombia, 2009. Trabajo de grado para optar el título de especialista en control e instrumentación industrial. Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad ingeniería electrónica. P. 17.
[34] Parámetros del motor DC. Formula obtenida de Quijano, Manuel G; Hernández, Carlos G. Obtención experimental de los parámetros del motor que se utilizará en el sistema de locomoción de una esfera rodante. Bucaramanga, Colombia, 2009. Trabajo de grado para optar el título de especialista en control e instrumentación industrial. Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad ingeniería electrónica. P. 19.
[35] Parámetros del motor DC. Formula obtenida de Quijano, Manuel G; Hernández, Carlos G. Obtención experimental de los parámetros del motor que se utilizará en el sistema de locomoción de una esfera rodante. Bucaramanga, Colombia, 2009. Trabajo de grado para optar el título de especialista en control e instrumentación industrial. Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad ingeniería electrónica. P. 21.
[36] Parámetros del motor DC. Formula obtenida de Quijano, Manuel G; Hernández, Carlos G. Obtención experimental de los parámetros del motor que se utilizará en el sistema de locomoción de una esfera rodante. Bucaramanga, Colombia, 2009. Trabajo de grado para optar el título de especialista en control e instrumentación industrial. Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad ingeniería electrónica. P. 22.
[37] Parámetros del motor DC. Formula obtenida de Quijano, Manuel G; Hernández, Carlos G. Obtención experimental de los parámetros del motor que se utilizará en el sistema de locomoción de una esfera rodante. Bucaramanga, Colombia, 2009. Trabajo de grado para optar el título de especialista en control e instrumentación industrial. Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad ingeniería electrónica. P. 24
[38] Ogata, Katsuhiko. Dinámica de sistemas. Naucalpan de Juárez (Mexico): Prentice-Hall Hispanoamericana, S.A., 1987. 68 p. ISBN: 968-880-074-0.
[39] Modelo matemático de las llantas. Modelo matemático obtenido de: Moreno Bustamante, Leonardo. Diseño e implementación de vehículo autobalanceado sobre dos ruedas. Santiago de Chile, 2009. Trabajo de grado (Ingeniería eléctrica). Universidad de Chile. Facultad de ciencias físicas y matemáticas. Departamento de ingeniería eléctrica. P. 67.
[40] Diagrama de cuerpo libre de la rueda derecha. Imagen obtenida de: Moreno Bustamante, Leonardo. Diseño e implementación de vehículo autobalanceado sobre dos ruedas. Santiago de Chile, 2009. Trabajo de grado (Ingeniería eléctrica). Universidad de Chile. Facultad de ciencias físicas y matemáticas. Departamento de ingeniería eléctrica. P. 67.
[41] Diagrama de cuerpo libre de la rueda izquierda. Imagen obtenida de: Moreno Bustamante, Leonardo. Diseño e implementación de vehículo autobalanceado sobre dos ruedas. Santiago de Chile, 2009. Trabajo de grado (Ingeniería eléctrica). Universidad de Chile. Facultad de ciencias físicas y matemáticas. Departamento de ingeniería eléctrica. P. 67
[42] Modelo matemático de la plataforma: Modelo matemático obtenido de: Castro Zaldúa, Diego A; Peña Delgado, Jhon S. Diseño y construcción de un prototipo experimental de un vehículo eléctrico autobalanceado unipersonal VEAU. Bucaramanga, 2011. Trabajo de grado (Ingeniaría mecánica). Universidad Industrial de Santander. Facultad de ingenierías físico mecánicas. Escuela de ingeniería mecánica. P. 123
[43] Diagrama de cuerpo libre de la plataforma. Imagen obtenida de: Castro Zaldúa, Diego A; Peña Delgado, Jhon S. Diseño y construcción de un prototipo experimental de un vehículo eléctrico autobalanceado unipersonal VEAU. Bucaramanga, 2011. Trabajo de grado (Ingeniaría mecánica). Universidad Industrial de Santander. Facultad de ingenierías físico mecánicas. Escuela de ingeniería mecánica. P. 123
[44] Modelo matemático del giro del vehículo: Modelo matemático obtenido de: Castro Zaldúa, Diego A; Peña Delgado, Jhon S. Diseño y construcción de un prototipo experimental de un vehículo eléctrico autobalanceado unipersonal VEAU. Bucaramanga, 2011. Trabajo de grado (Ingeniaría mecánica). Universidad Industrial de Santander. Facultad de ingenierías físico mecánicas. Escuela de ingeniería mecánica. P. 124
[45] Modelo matemático de la relación de posición entre la plataforma y la rueda: Modelo matemático obtenido de: Castro Zaldúa, Diego A; Peña Delgado, Jhon S. Diseño y construcción de un prototipo experimental de un vehículo eléctrico autobalanceado unipersonal VEAU. Bucaramanga, 2011. Trabajo de grado (Ingeniaría mecánica). Universidad Industrial de Santander. Facultad de ingenierías físico mecánicas. Escuela de ingeniería mecánica. P. 125.
[46] MathWorks. Root Locus design. Obtenido de la red: https://www.mathworks.com/help/control/ug/root-locus-design.html.
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[48] MathWorks. Root Locus design. Obtenido de la red: https://www.mathworks.com/help/control/ug/root-locus-design.html.
[49] MathWorks. PID Tuning. Obtenido de la red: https://www.mathworks.com/discovery/pid-tuning.html
[50] INTERMEC S.A. Productos Mecánicos para Transmisión de Potencia. LA TRANSMISIÓN DE POTENCIA POR CADENA DE RODILLOS. Un compendio de información técnica y práctica
[51] Arthozhoul Simon; Corona Loïc; Hermant Rémi; Nerva Jean Guillaume; Magni Maxime; Martin Emeric; Mignon Matthieu; Pellerin Stéphane; Rche Joseph. Transmission de pusisance par chaînes
[52] Cadena simple. Imagen obtenida de: Calero Pérez, Roque; Carta González, José Antonio. Fundamentos de mecanismos y máquinas para ingenieros. España: McGRAW-HILL/INTERAMERICA DE ESPAÑA S.A.U., 1999. 286, p. ISBN: 84-481-2099-X
[53] Los valores de K según sea la cantidad de D. Tabla obtenida de: INTERMEC S.A. Productos Mecánicos para Transmisión de Potencia. LA TRANSMISIÓN DE POTENCIA POR CADENA DE RODILLOS. Un compendio de información técnica y práctica. 62, p.
[54] Coeficiente de K1. Imagen obtenida de: Arthozhoul Simon; Corona Loïc; Hermant Rémi; Nerva Jean Guillaume; Magni Maxime; Martin Emeric; Mignon Matthieu; Pellerin Stéphane; Rche Joseph. Transmission de pusisance par chaînes. 24, p
[55] Coeficiente de K2. Imagen obtenida de: Arthozhoul Simon; Corona Loïc; Hermant Rémi; Nerva Jean Guillaume; Magni Maxime; Martin Emeric; Mignon Matthieu; Pellerin Stéphane; Rche Joseph. Transmission de pusisance par chaînes. 25, p.
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[57] Factor de servicio de K4. Tabla obtenida de: INTERMEC S.A. Productos Mecánicos para Transmisión de Potencia. LA TRANSMISIÓN DE POTENCIA POR CADENA DE RODILLOS. Un compendio de información técnica y práctica. 67, p.
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[59] Velocidad máxima de la cadena. Imagen obtenida de: Arthozhoul Simon; Corona Loïc; Hermant Rémi; Nerva Jean Guillaume; Magni Maxime; Martin Emeric; Mignon Matthieu; Pellerin Stéphane; Rche Joseph. Transmission de pusisance par chaînes. 33, p.
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[67] Eje de sección circular con ranura anular sometido a torsión. Tabla obtenida de: Robert L. Norton. Diseño de Máquinas un enfoque integrado, Cuarta edición.Pearson Education, México, 2011. 1000, p. ISBN: 978-607-32-0589-4
[68] Factores de confiabilidad R para una distribución de Wibull, correspondientes a la probabilidad de falla P. Tabla obtenida de: Robert L. Norton. Diseño de Máquinas un enfoque integrado, Cuarta edición.Pearson Education, México, 2011. 521, p. ISBN: 978-607-32-0589-4.
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spelling Roa Prada, Sebastiándd399662-c4ef-4825-81c2-4d5982b995c7-1Pinto Vásquez, Luisa Fernanda5892114d-df7b-493d-9fc1-130003aba980-1Galeano Blanco, Verónica Andreaee8de73b-194b-4b10-ab60-8936525d178b-1Roa Prada, Sebastián [0000295523]Roa Prada, Sebastián [xXcp5HcAAAAJ&hl=en]Roa Prada, Sebastián [0000-0002-1079-9798]Roa Prada, Sebastián [24333336800]Roa Prada, Sebastián [Sebastian-Roa-Prada]Grupo de Investigación Control y Mecatrónica - GICYMGrupo de Investigaciones Clínicas2020-06-26T19:45:24Z2020-06-26T19:45:24Z2017-07-10http://hdl.handle.net/20.500.12749/1607instname:Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABreponame:Repositorio Institucional UNABEl presente trabajo contempla el desarrollo e implementación de un ciclomotor de dos ruedas auto balanceado, el cual tiene como característica principal el uso de dos llantas concéntricas (paralelas), una a cada lado, generando un sistema inestable, el cual es controlado por la implementación de un control PD, permitiendo accionar los motores acoplados a cada una de las ruedas de acuerdo a la inclinación que el usuario ejerza sobre el vehículo. Para llevar a cabo este proyecto, el desarrollo de este vehículo se dividió en tres etapas: diseño, construcción y control del prototipo. En la primera etapa se realizó el diseño del prototipo empleando la herramienta asistida por computador y validando su resistencia al suministrar una carga. En la etapa de construcción se tuvo en cuenta el tamaño de los actuadores y ubicación de la electrónica. Para la etapa final, fue fundamental realizar un análisis dinámico utilizando herramientas computacionales de simulación como MatLAB-Simulink para poder conocer el comportamiento y las variables que definen el control del prototipo, permitiendo la integración del software con el hardware. El objetivo final del proyecto es crear un vehículo que tenga un impacto favorable respecto a los problemas que afectan a la sociedad, como lo son la movilidad y la contaminación ambiental producida por los medios de transporte que funcionan a partir combustibles fósiles.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 24 2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN ............................................ 25 2.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ................................................................................ 25 2.2 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................ 25 3 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 26 3.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................... 26 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................... 26 4 ANTECEDENTES.............................................................................................................. 27 5 ESTADO DEL ARTE ......................................................................................................... 28 5.1 TRANSPORTE ........................................................................................................... 28 5.1.1 Segway personal transporter (segway pt – transportador personal) ............. 28 5.1.2 Fastwheel EVA ................................................................................................... 28 5.1.3 Onewheel ............................................................................................................ 29 5.1.4 S-Walker Board .................................................................................................. 29 5.1.5 GennyTM............................................................................................................... 29 5.2 USO DIDÁCTICO ....................................................................................................... 30 5.2.1 Diseño e implementación de vehículo autobalanceado sobre dos ruedas ... 30 5.2.2 Diseño y construcción de un prototipo experimental de un vehículo eléctrico autobalanceado unipersonal VEAU ................................................................................. 31 5.2.3 nBot Balancing Robot ........................................................................................ 31 5.3 SERVICIO ................................................................................................................... 32 5.3.1 Ninebot mini Pro ................................................................................................. 32 5.3.2 Emiew 2 ............................................................................................................... 32 5.3.3 A.M.P. Bot ........................................................................................................... 33 6 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................ 34 6.1 MARCO CONCEPTUAL............................................................................................ 34 6.1.1 Péndulo invertido ................................................................................................ 34 6.1.2 Modelo matemático ............................................................................................ 34 6.1.3 Sistema de control .............................................................................................. 35 6.2 SENSORES ................................................................................................................ 38 6.2.1 Acelerómetro....................................................................................................... 38 6.2.2 Giroscopio ........................................................................................................... 39 6.3 ACTUADORES .......................................................................................................... 40 6.3.1 Motores eléctricos .............................................................................................. 40 6.4 SISTEMAS DE TRANSMISIÓN MECÁNICOS........................................................ 41 6.4.1 Mecanismo de cadena ....................................................................................... 41 6.4.2 Mecanismo de rodamiento ................................................................................ 42 6.5 UNIDADES DE PROCESAMIENTO Y CONTROL ................................................. 43 6.5.1 Microcontrolador ................................................................................................. 43 6.5.2 Sistemas Embebidos ......................................................................................... 43 6.5.3 Unidad de procesamiento Arduino.................................................................... 44 6.5.4 Drivers de control de motores ........................................................................... 45 7 DISEÑO METODOLÓGICO ............................................................................................. 46 8 DISEÑO CONCEPTUAL DEL SISTEMA ........................................................................ 48 8.1 RESTRICCIONES Y ESPECIFICACIONES GENERALES DEL SISTEMA ......... 48 8.2 CASO DE USO EN BUCARAMANGA ..................................................................... 48 9 DISEÑO CONCEPTUAL DE LA ESTRUCTURA ........................................................... 50 9.1 DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADOR DE UN CICLOMOTOR DE DOS RUEDAS AUTOBALANCEADO A ESCALA REAL ............................................................ 50 9.1.1 Propuesta de diseño. ......................................................................................... 50 10 MODELOS MATEMÁTICOS......................................................................................... 58 10.1 MODELO MATEMÁTICO DEL PUENTE H ............................................................. 58 10.1.1 Parámetros del puente H. .................................................................................. 58 Fuente: El autor. .................................................................................................................... 58 10.2 MODELO MATEMÁTICO DEL MOTOR ELÉCTRICO ........................................... 58 Fuente: El autor. .................................................................................................................... 58 10.2.1 Parámetros del motor eléctrico ......................................................................... 61 10.2.2 Ecuaciones del motor eléctrico ......................................................................... 68 10.2.3 Función de transferencia del motor eléctrico ................................................... 69 10.3 MODELO MATEMÁTICO DEL VEHÍCULO DE DOS RUEDAS ............................ 70 10.3.1 Diagrama de cuerpo libre de las ruedas .......................................................... 70 10.3.2 Diagrama de cuerpo libre de la plataforma ...................................................... 73 10.3.3 Diagrama del cuerpo libre del giro del vehículo............................................... 74 10.3.4 Relación de posición entre la plataforma y la rueda ....................................... 74 10.3.5 Parámetros del vehículo de dos ruedas ........................................................... 77 10.3.6 Ecuaciones del vehículo de dos ruedas ........................................................... 78 10.3.7 Representación en espacios de estados del vehículo de dos ruedas ........... 79 11 DIAGRAMAS DE BLOQUES DE LOS MODELOS EN LAZO ABIERTO ................. 83 11.1 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PUENTE H .......................................................... 83 11.2 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL MOTOR ELÉCTRICO ........................................ 83 11.3 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL MODELO NO LINEAL DEL VEHÍCULO DE DOS RUEDAS ....................................................................................................................... 84 11.4 DIAGRAMA DEL BLOQUES FINAL CON MODELO NO LINEAL DEL VEHÍCULO DE DOS RUEDAS ................................................................................................................. 85 11.4.1 Respuesta transitoria del modelo ..................................................................... 85 11.5 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL MODELO LINEAL DEL VEHÍCULO DE DOS RUEDAS ................................................................................................................................ 86 11.6 DIAGRAMA DE BLOQUES FINAL CON MODELO LINEAL DEL VEHÍCULO DE DOS RUEDAS ....................................................................................................................... 87 11.6.1 Respuesta transitoria del modelo ..................................................................... 87 11.7 COMPARACIÓN ENTRE EL DIAGRAMA DE BLOQUES FINAL CON MODELO NO LINEAL Y EL DIAGRAMA DE BLOQUES FINAL CON MODELO LINEAL DEL VEHÍCULO DE DOS RUEDAS ............................................................................................ 88 11.7.1 Comparación entre las respuestas transitorias ............................................... 88 12 DISEÑO DEL CONTROLADOR ................................................................................... 90 12.1 DISEÑO DEL CONTROLADOR PARA EL DESPLAZAMIENTO LINEAL ............ 90 12.1.1 Función de transferencia ................................................................................... 90 12.1.2 Criterios de diseño para el controlador............................................................. 92 12.1.3 Ecuación del controlador ................................................................................... 95 12.1.4 Ganancias del controlador ................................................................................. 95 12.1.5 Diagrama de bloques con controlador .............................................................. 95 12.1.6 Respuesta transitoria con controlador .............................................................. 97 12.2 DISEÑO DEL CONTROLADOR PARA EL SENTIDO DE GIRO DEL VEHÍCULO 100 12.2.1 Función de transferencia ................................................................................. 100 12.2.2 Criterios de diseño del controlador ................................................................. 100 12.2.3 Ecuación del controlador ................................................................................. 102 12.2.4 Ganancias del controlador ............................................................................... 102 12.2.5 Respuesta transitoria con controlador ............................................................ 103 12.2.6 Diagrama de bloques ....................................................................................... 103 12.3 DIAGRAMA DE BLOQUES COMPLETO: DESPLAZAMIENTO LINEAL Y GIRO DEL VEHÍCULO .................................................................................................................. 104 13 PRUEBA DE LA ESTRATEGIA DE CONTROL (SIMULACIÓN) ............................ 106 13.1 DESPLAZAMIENTO LINEAL .................................................................................. 106 13.2 SENTIDO DE GIRO DEL VEHÍCULO .................................................................... 108 14 SELECCIÓN DE PIEZAS COMERCIALES PARA UN CICLOMOTOR DE DOS RUEDAS AUTOBALANCEADO A ESCALA REAL .............................................................. 110 14.1 ESTUDIO ESTÁTICO .............................................................................................. 110 14.1.1 Soporte principal ............................................................................................... 111 14.1.2 Mástil ................................................................................................................. 114 14.1.3 Base del motor con el tensor de cadena ........................................................ 117 14.1.4 Guarda cadena ................................................................................................. 119 14.1.5 Caja electrónica ................................................................................................ 121 14.1.6 Soporte de la batería ........................................................................................ 123 14.2 SELECCIÓN DE PIEZAS COMERCIALES ........................................................... 127 14.2.1 Selección de actuadores. ................................................................................ 128 14.2.2 Mecanismo de cadena. .................................................................................... 130 14.2.3 Diseño de los ejes ............................................................................................ 141 14.2.4 Cálculo y selección de los rodamientos. ........................................................ 154 14.2.5 Baterías ............................................................................................................. 157 14.2.6 Selección del sensor ........................................................................................ 160 14.2.7 Selección de control ......................................................................................... 161 14.2.8 Selección del driver motor ............................................................................... 162 14.2.9 Caracterización del potenciómetro lineal para el giro ................................... 163 14.3 CIRCUITO ELÉCTRICO .......................................................................................... 167 14.4 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA EN ARDUINO .................................. 167 15 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ....................................................................... 169 15.1 SOPORTE PRINCIPAL ........................................................................................... 169 15.2 MOTOR MY1018 ..................................................................................................... 170 15.3 GUARDA CADENA .................................................................................................. 171 15.4 BASE DEL MOTOR ................................................................................................. 171 15.5 SOPORTE DE BATERÍAS ...................................................................................... 172 15.6 TRANSMISIÓN DE POTENCIA ............................................................................. 172 15.7 BATERÍAS ................................................................................................................ 173 15.8 MÁSTIL ..................................................................................................................... 174 15.9 CAJA ELECTRÓNICA ............................................................................................. 175 15.10 ESTRUCTURA ENSAMBLADA .......................................................................... 176 15.11 COSTOS ............................................................................................................... 177 16 PRUEBA DE LA ESTRATEGIA DE CONTROL (PROTOTIPO) ............................. 178 16.1 COMPARACIÓN DEL MODELO TEÓRICO Y MODELO EXPERIMENTAL ...... 178 16.2 SINTONIZACIÓN FINA ........................................................................................... 178 16.3 SENTIDO DE GIRO DEL VEHICULO .................................................................... 180 16.4 PRUEBA DEL PROTOTIPO CON VARIACIÓN DE PESO.................................. 181 17 CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES .................................................................. 183 18 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 185 19 ANEXOS ....................................................................................................................... 191 19.1 CODIGO FINAL DE ARDUINO............................................................................... 191 19.2 PLANOS ................................................................................................................... 198PregradoThe present work contemplates the development and implementation of a self-balanced two-wheel moped, which has as its main characteristic the use of two concentric (parallel) tires, one on each side, generating an unstable system, which is controlled by the implementation. of a PD control, allowing to operate the motors attached to each of the wheels according to the inclination that the user exerts on the vehicle. To carry out this project, the development of this vehicle was divided into three stages: design, construction and control of the prototype. In the first stage, the design of the prototype was carried out using the computer-assisted tool and validating its resistance when supplying a load. In the construction stage, the size of the actuators and the location of the electronics were taken into account. For the final stage, it was essential to perform a dynamic analysis using computational simulation tools such as MatLAB-Simulink to be able to know the behavior and variables that define the control of the prototype, allowing the integration of the software with the hardware. The final objective of the project is to create a vehicle that has a favorable impact on the problems that affect society, such as mobility and environmental pollution produced by means of transport that run on fossil fuels.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaDiseño y construcción de un ciclomotor de dos ruedas autobalanceado a escala real como medio de transporte urbanoDesign and construction of a full-scale self-balancing two-wheel moped as a means of urban transportIngeniero MecatrónicoBucaramanga (Colombia)UNAB Campus BucaramangaUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronic EngineeringMotor vehiclesPrototype developmentInvestigationsAnalysisInverted pendulum controlTilt anglePrototypeSensorsMathematical modelAuto-balancedGyroscopeAccelerometer and simulationsIngeniería mecatrónicaVehículos de motorDesarrollo de prototiposInvestigacionesAnálisisControl péndulo invertidoÁngulo de inclinaciónPrototipoSensoresModelo matemáticoAuto-balanceadoGiroscopioAcelerómetro y simulacionesPinto Vásquez, Luisa Fernanda, Galeano Blanco, Verónica Andrea (2017). Diseño y construcción de un ciclomotor de dos ruedas autobalanceado a escala real como medio de transporte urbano. Bucaramanga (Colombia) : Universidad Autónoma de Bucaramanga UNAB[1] MUNICIPIO DE BUCARAMANGA. PLAN DE ORDENAMIENTO TERRITORIAL DE BUCARAMANGA, Segunda generación 2013 – 2027. Acuerdo municipal 011 de 2014.: Componente urbano, documento técnico de soporte. Bucaramanga.51, p.[2] Instituto Desarrollo urbano, Alcaldía mayor Santa Fe de Bogotá. GUIA PRÁCTICA DE LA MOVILIDAD PEATONAL URBANA. 9, p.[3] COLOMBIA. MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL. Decreto 798 (11, Marzo de 2010). Por medio del cual se reglamenta parcialmente la Ley 1083 de 2006. Bogotá D.C.: El Ministerio, 2010. 2, p.[4] INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Accesibilidad de las personas al medio físico: edificios y espacios urbanos. Rampas fijas adecuadas y básicas. Bogotá: ICONTEC, 2009. 2 h. : il. (NTC 4143)[5] Segway. Disponible en: http://www.segway.com/[6] Barragán, Karon Fernanda. Deterioro en la calidad del aire estaría llevando a problemas de salud en Bucaramanga. [En línea]. 2016. [Citado 06-junio-2017] Disponible en internet: http://periodico15.com/index.php/2016/08/29/deterioro-la-calidad-del-aire-estaria-llevando-problemas-salud-bucaramanga[7] HACHMAN, Mark. Segway Quietly Sold; Dealers Remain Optimistic. [En línea]. 2010. [Citado 14-septiembre-2015] Disponible en internet: http://www.pcmag.com/article2/0,2817,2358173,00.asp[8] Primer modelo de Segway. Imagen obtenida de la red con la URL: https://segwaynz.files.wordpress.com/2012/06/ht-i167-and-e167.jpg[9] Fastwheel EVA. Imagen obtenida de la red con la URL: http://co.globedia.com/vehiculo-transporte-rueda-electrica-fastwheel-eva[10] Onewheel. Imagen obtenida de la red con la URL: http://www.motorpasionfuturo.com/motos-electricas/onewheel-un-monopatin-electrico-con-una-unica-gran-rueda-auto-estabilizado.[11] S-Walker Board. Imagen obtenida de la red con la URL: http://www.motorpasionfuturo.com/motos-electricas/s-walter-sistemas-de-movilidad-personal[12] GennyTM. Imagen obtenida de la red con la URL: http://www.gennymobility.es/como-es-genny-silla-ruedas-electrica[13] Prototipo en funcionamiento. Imagen obtenida de: Moreno Bustamante, Leonardo Felipe. Diseño e implementación de vehículos autobalanceado sobre dos ruedas. Santiago de Chile, 2009. Trabajo de grado (Ingeniero civil electricista). Universidad de Chile. Facultad de ciencias físicas y matemáticas. Departamento de ingeniería eléctrica, p. 60[14] Modelo final del VEAU. Imagen obtenida de: Castro Zaldúa, Diego Alejandro; Peña Delgado, Jhon Sebastian. Diseño y construcción de un prototipo experimental de un vehículo eléctrico autobalanceado unipersonal VEAU. Bucaramanga, 2011. Trabajo de grado (Ingeniero mecánico). Universidad Industrial de Santander. Facultad de ingenierías físico mecánicas. Escuela de ingeniería mecánica, p. 197.[15] nBot Balancing Robot. Imagen obtenida de la red con la URL: http://www.geology.smu.edu/~dpa-www/robo/nbot/[16] Ninebot mini Pro. Robot. Imagen obtenida de la red con la URL: http://www.barnageek.com/noticias-ninebot-espana/ninebot-mini-pro-se-convierte-en-robot-ces-2016[17] Emiew 2. Imagen obtenida de la red con la URL: http://www.eikyo.es/2014/emiew-2-el-bromista-robot-japones-de-hitachi/[18] A.M.P. Imagen obtenida de la red con la URL: http://www.slashgear.com/amp-music-playing-gyroscopic-dancing-companion-robot-1912138/[19] Ogata, Katsuhiko. Ingeniería de control moderna: Introducción a los sistemas de control. Madrid (España): Pearson Educación, S.A., 2010. 15 p. ISBN: 978-84-8322-660-5.[20] Ogata, Katsuhiko. Ingeniería de control moderna: Introducción a los sistemas de control. Madrid (España): Pearson Educación, S.A., 2010. 22 p. ISBN: 978-84-8322-660-5.[21] Ogata, Katsuhiko. Ingeniería de control moderna: Introducción a los sistemas de control. Madrid (España): Pearson Educación, S.A., 2010. 24 p. ISBN: 978-84-8322-660-5[22] Ogata, Katsuhiko. Ingeniería de control moderna: Introducción a los sistemas de control. Madrid (España): Pearson Educación, S.A., 2010. 25 p. ISBN: 978-84-8322-660-5.[23] Diagrama de bloques de un control PID. Imagen obtenida de la red con la URL: http://control-pid.wikispaces.com/[24] Acelerómetro capacitivo basado en MEMS. Imagen obtenida de: Falcomi Loja, Victor Esteban; Villar Fernández, Ignacio. Diseño e implementación en PCB de un robot auto-balanceado mediante Arduino con módulo inalámbrico. Pamplona, 2015. Trabajo de grado (Ingeniería eléctrica y electrónica). Universidad Pública de Navarra. E.T.S. de Ingeniería Industrial Informática y de Telecomunicación. P. 21.[25] Vista operativa interna de un sensor giroscópico MEMS. Imagen obtenida de: Falcomi Loja, Victor Esteban; Villar Fernández, Ignacio. Diseño e implementación en PCB de un robot auto-balanceado mediante Arduino con módulo inalámbrico. Pamplona, 2015. Trabajo de grado (Ingeniería eléctrica y electrónica). Universidad Pública de Navarra. E.T.S. de Ingeniería Industrial Informática y de Telecomunicación. P. 22.[26] Motor MY1018. Imagen obtenida de la red con la URL: https://www.motiondynamics.com.au/images/magictoolbox_cache/80543c918ed05ba09145ba56f4b3651f/3/0/30252/original/4091894656/1018_1.png[27] Motor Brushless. Imagen obtenida de la red con la URL: http://www.cochesrc.com/attachments/snap504.jpg-f11644[28] Partes de una cadena. Imagen obtenida de: Calero Pérez, Roque; Carta González, José Antonio. Fundamentos de mecanismos y máquinas para ingenieros. España: McGRAW-HILL/INTERAMERICA DE ESPAÑA S.A.U., 1999. 270, p. ISBN: 84-481-2099-X[29] Interior de un rodamiento de bolas. Imagen obtenida de la red con la URL: https://www.dirind.com/dim/imagenes/clasificaciones/monografias/baleros/baleros6.jpg[30] PWM. Imagen obtenida de: Torrente Artero, Óscar. ARDUINO Curso práctico de formación: Librerías Arduino. México: Alfaomega Grupo Editors, S.A., 2013. 92 p. ISBN: 978-84-940725-0-5[31] Esquema de un puente H. imagen obtenida de la red con la URL: https://minibots.files.wordpress.com/2015/01/giros_en_puente_h.gif[32] Modelo matemático del motor eléctrico. Modelo matemático del motor eléctrico obtenido de: Hoff, Romina A; Krujoski, Matías G; Viera, Juan R. Modelación de sistemas. Función de transferencia y diagramas de bloques. Oberá, Misiones, 2014. Informe de trabajo práctico (Ingeniería electrónica). Universidad Nacional de Misiones. Facultad de ingeniería. P. 14[33] Parámetros del motor DC. Formula obtenida de Quijano, Manuel G; Hernández, Carlos G. Obtención experimental de los parámetros del motor que se utilizará en el sistema de locomoción de una esfera rodante. Bucaramanga, Colombia, 2009. Trabajo de grado para optar el título de especialista en control e instrumentación industrial. Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad ingeniería electrónica. P. 17.[34] Parámetros del motor DC. Formula obtenida de Quijano, Manuel G; Hernández, Carlos G. Obtención experimental de los parámetros del motor que se utilizará en el sistema de locomoción de una esfera rodante. Bucaramanga, Colombia, 2009. Trabajo de grado para optar el título de especialista en control e instrumentación industrial. Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad ingeniería electrónica. P. 19.[35] Parámetros del motor DC. Formula obtenida de Quijano, Manuel G; Hernández, Carlos G. Obtención experimental de los parámetros del motor que se utilizará en el sistema de locomoción de una esfera rodante. Bucaramanga, Colombia, 2009. Trabajo de grado para optar el título de especialista en control e instrumentación industrial. Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad ingeniería electrónica. P. 21.[36] Parámetros del motor DC. Formula obtenida de Quijano, Manuel G; Hernández, Carlos G. Obtención experimental de los parámetros del motor que se utilizará en el sistema de locomoción de una esfera rodante. Bucaramanga, Colombia, 2009. Trabajo de grado para optar el título de especialista en control e instrumentación industrial. Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad ingeniería electrónica. P. 22.[37] Parámetros del motor DC. Formula obtenida de Quijano, Manuel G; Hernández, Carlos G. Obtención experimental de los parámetros del motor que se utilizará en el sistema de locomoción de una esfera rodante. Bucaramanga, Colombia, 2009. Trabajo de grado para optar el título de especialista en control e instrumentación industrial. Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad ingeniería electrónica. P. 24[38] Ogata, Katsuhiko. Dinámica de sistemas. Naucalpan de Juárez (Mexico): Prentice-Hall Hispanoamericana, S.A., 1987. 68 p. ISBN: 968-880-074-0.[39] Modelo matemático de las llantas. Modelo matemático obtenido de: Moreno Bustamante, Leonardo. Diseño e implementación de vehículo autobalanceado sobre dos ruedas. Santiago de Chile, 2009. Trabajo de grado (Ingeniería eléctrica). Universidad de Chile. Facultad de ciencias físicas y matemáticas. Departamento de ingeniería eléctrica. P. 67.[40] Diagrama de cuerpo libre de la rueda derecha. Imagen obtenida de: Moreno Bustamante, Leonardo. Diseño e implementación de vehículo autobalanceado sobre dos ruedas. Santiago de Chile, 2009. Trabajo de grado (Ingeniería eléctrica). Universidad de Chile. Facultad de ciencias físicas y matemáticas. Departamento de ingeniería eléctrica. P. 67.[41] Diagrama de cuerpo libre de la rueda izquierda. Imagen obtenida de: Moreno Bustamante, Leonardo. Diseño e implementación de vehículo autobalanceado sobre dos ruedas. Santiago de Chile, 2009. Trabajo de grado (Ingeniería eléctrica). Universidad de Chile. Facultad de ciencias físicas y matemáticas. Departamento de ingeniería eléctrica. P. 67[42] Modelo matemático de la plataforma: Modelo matemático obtenido de: Castro Zaldúa, Diego A; Peña Delgado, Jhon S. Diseño y construcción de un prototipo experimental de un vehículo eléctrico autobalanceado unipersonal VEAU. Bucaramanga, 2011. Trabajo de grado (Ingeniaría mecánica). Universidad Industrial de Santander. Facultad de ingenierías físico mecánicas. Escuela de ingeniería mecánica. P. 123[43] Diagrama de cuerpo libre de la plataforma. Imagen obtenida de: Castro Zaldúa, Diego A; Peña Delgado, Jhon S. Diseño y construcción de un prototipo experimental de un vehículo eléctrico autobalanceado unipersonal VEAU. Bucaramanga, 2011. Trabajo de grado (Ingeniaría mecánica). Universidad Industrial de Santander. Facultad de ingenierías físico mecánicas. Escuela de ingeniería mecánica. P. 123[44] Modelo matemático del giro del vehículo: Modelo matemático obtenido de: Castro Zaldúa, Diego A; Peña Delgado, Jhon S. Diseño y construcción de un prototipo experimental de un vehículo eléctrico autobalanceado unipersonal VEAU. Bucaramanga, 2011. Trabajo de grado (Ingeniaría mecánica). Universidad Industrial de Santander. Facultad de ingenierías físico mecánicas. Escuela de ingeniería mecánica. P. 124[45] Modelo matemático de la relación de posición entre la plataforma y la rueda: Modelo matemático obtenido de: Castro Zaldúa, Diego A; Peña Delgado, Jhon S. Diseño y construcción de un prototipo experimental de un vehículo eléctrico autobalanceado unipersonal VEAU. Bucaramanga, 2011. Trabajo de grado (Ingeniaría mecánica). Universidad Industrial de Santander. Facultad de ingenierías físico mecánicas. Escuela de ingeniería mecánica. P. 125.[46] MathWorks. Root Locus design. Obtenido de la red: https://www.mathworks.com/help/control/ug/root-locus-design.html.[47] MathWorks. PID Tuning. Obtenido de la red: https://www.mathworks.com/discovery/pid-tuning.html[48] MathWorks. Root Locus design. 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