Selbstbalancierender Roboter: MPU6050 und PID

Was du baust

Einen Roboter, der auf zwei Rädern steht, ohne dass ihn etwas hält außer Arithmetik.

Der mechanische Aufbau ist wirklich simpel – zwei Motoren, ein Rahmen, ein Sensor, ein Akku. Was dieses Projekt lohnenswert macht: Das Regelproblem kennt kein weiches Versagen. Ein Linienfolger mit mittelmäßigen Verstärkungen folgt der Linie noch, schlecht. Ein Balancierroboter mit mittelmäßigen Verstärkungen liegt auf dem Boden. Diese Schärfe macht ihn zum bestmöglichen Weg, PID wirklich zu verstehen.

Am Ende hast du einen Roboter, der aufsteht, einem Schubs widersteht und grob dort bleibt, wo du ihn hinstelltest.

Warum es schwer ist

Die gesamte Masse des Roboters sitzt über der Achse. Das macht ihn zu einem invertierten Pendel: Aufrecht ist ein Gleichgewicht, wie ein Bleistift auf seiner Spitze ein Gleichgewicht ist – im Prinzip real, ohne ständige Korrektur hoffnungslos. Kippt er leicht, erzeugt die Schwerkraft ein Drehmoment, das ihn weiter kippt, immer schneller.

Die einzige Verteidigung des Roboters ist, seine eigene Basis zu bewegen. Die Räder vorwärts zu treiben schiebt die Achse unter den Schwerpunkt zurück und dreht den Körper wieder aufrecht. Daraus folgt die kontraintuitive Regel, die das ganze Projekt beherrscht: Um nicht vorwärts zu fallen, fahre vorwärts.

Zwei Folgen ergeben sich, und sie prägen alles unten:

1. Du kannst die Position nicht direkt regeln. Die Motoren aus Positionsfehler zu treiben beschleunigt die Basis unter der Masse weg, und der Roboter fällt entgegengesetzt zur angeforderten Richtung. Position muss durch Neigung geregelt werden.
2. Es gibt eine harte Erholungsgrenze, um 35°. Dahinter übersteigt die nötige Beschleunigung, was die Räder liefern können, bevor der Körper den Boden erreicht – und keine Verstärkung hilft.

Stückliste

Gesamt: ca. $45–60.

Drei dieser Wahlen sind tragend – bei einer falschen wird der Roboter unabstimmbar statt bloß schlechter.

Motoren mit Metallgetriebe. Ein Balancierroboter kehrt Hunderte Male pro Sekunde in kleinen Schritten die Richtung um. Spiel wird bei jeder Umkehr einmal kassiert – die Totzone eines Kunststoffgetriebes landet also genau dort, wo die Korrektur wirken muss. Ergebnis ist ein Roboter, der um vertikal pendelt und nie zur Ruhe kommt, egal wie sorgfältig die Verstärkungen abgestimmt sind – und es liest sich überzeugend als Abstimmungsproblem.

Ein MOSFET-Treiber. Der L298N verbrennt rund 2 V, bevor der Motor etwas sieht – kleine Stellbefehle fallen also unter die Spannung, bei der sich der Motor überhaupt bewegt. Wieder eine Totzone genau dort, wo die Feinkorrekturen leben.

Akku hoch montiert. Das überrascht. Ein höherer Roboter mit Masse oben fällt langsamer – die Pendelperiode geht mit der Wurzel der Länge –, was dem Regelkreis mehr Zeit zum Reagieren gibt. Ein niedriger, gedrungener Balancierroboter ist schwerer, nicht leichter.

Baureihenfolge

In dieser Reihenfolge vorgehen. Jeder Schritt ist für sich prüfbar – was bei einem Projekt zählt, dessen Endzustand binär ist.

1 – Einen vertrauenswürdigen Neigewinkel besorgen. MPU6050 verdrahten und Neigung aus einem MPU6050 lesen folgen. Erst weitergehen, wenn der Winkel aufrecht nahe null liest, sich beim Kippen richtig bewegt und stillhält, wenn der Roboter stillhält. Alles Weitere baut auf dieser Zahl auf.

2 – Den Winkel bewegungsfest machen. Ein Beschleunigungsmesser allein ist auf einem fahrenden Roboter unbrauchbar, ein Gyro allein driftet in Sekunden. Der Komplementärfilter fusioniert beide in einer Zeile. Teste ihn, indem du den Roboter körperlich schüttelst, ohne ihn zu drehen – der Winkel sollte sich kaum bewegen.

3 – Innere Schleife im Simulator abstimmen. Bevor Hardware umfallen kann, mit dem Balance-Simulator Intuition dafür aufbauen, was jede Verstärkung tut. Differentialverstärkung an einem gerade balancierenden Roboter auf null setzen und zusehen, wie die Schwingung wächst, bis er liegt; dieser Fehler ist dort weit billiger zu sehen als auf deinem Schreibtisch.

4 – Zum Stehen bringen. Innere Schleife aus kaskadierter PID-Balanceregelung schreiben, äußere Schleife abgeschaltet. Erfolg ist hier ein Roboter, der aufrecht bleibt und wandern darf. Das Wandern noch nicht zu reparieren versuchen.

5 – Encoder und äußere Schleife hinzufügen. Mit Quadraturzählung als echter Radposition die äußere Schleife einschalten, sodass der Roboter einen Punkt hält. Ihre Verstärkung weit niedriger starten, als sich vernünftig anfühlt – ihre Wirkung ist indirekt, und leicht kämpfen beide Schleifen gegeneinander.

Hardware-Notizen, die wirklich zählen

Akku hoch montieren. Das ist kontraintuitiv und die nützlichste mechanische Wahl im Projekt. Den Schwerpunkt zu heben verlängert die Pendelperiode – der Roboter fällt langsamer, und die Schleife bekommt mehr Fangchancen. Ein kurzer, kopflastiger Roboter balanciert weit schwerer als ein hoher.

Metallgetriebe nutzen. Ein Balancierroboter kehrt Hunderte Male pro Sekunde die Richtung um. Kunststoffgetriebemotoren haben genug Spiel, dass jede Umkehr die ersten paar Grad wirkungslos verpufft – was die Schleife nicht wegstimmen kann. N20-Encodermotoren sind die übliche Antwort.

Einen TB6612FNG nehmen, keinen L298N. Der TB6612FNG verliert weit weniger Spannung über seiner Endstufe. Am L298N fallen kleine Stellbefehle unter die Spannung, bei der sich der Motor überhaupt bewegt – eine Totzone genau dort, wo die Feinkorrekturen leben.

Den Motoren eigene Versorgung geben. Ein Akkupack, der unter Blockierstrom einbricht, setzt den Mikrocontroller mitten in der Korrektur zurück. Der Roboter fällt dann aus Gründen, die nichts mit deinem Regelkreis zu tun haben – elend zu debuggen.

Schrittweise prüfen

Wie gut aussieht

Das Schleifenraten-Verhältnis ist die Zahl, die die meisten Erstaufbauten falsch machen. Die innere Schleife hält die Neigung; die äußere fordert Schräglage zum Fahren an. Läuft die äußere Schleife irgendwo nah an der Rate der inneren, jagt sie ein Ziel, das die innere noch nicht erreicht hat – und beide kämpfen. Fünf- bis zehnfache Trennung ist die Arbeitsregel.

Die „Drift“-Zeile erklärt, wozu die Encoder da sind, und es ist Klartext wert: Ein Roboter mit nur Neigungsschleife balanciert wunderbar und wandert durch den Raum, weil ihm nichts sagt, wo er ist. Er ist aufrecht und verloren. Erst die äußere Positionsschleife macht aus ihm eine Demonstration einen Roboter.

Vorzeichenkonventionen: das, was einen Abend kostet

Vier Vorzeichen müssen übereinstimmen, und keines lässt sich herbeidenken – jedes muss auf der Werkbank geprüft werden, mit dem Roboter in der Hand:

Das dritte verkehrt herum, und der Roboter beschleunigt seinen eigenen Fall, hart, in die Richtung, in die er schon ging. Unverwechselbar – und mit Rädern in der Luft testenswert.

Wenn es nicht geht

Fast jeder Fehler ist eines von fünf Dingen, und sie sehen verschieden genug aus, um sie zu unterscheiden:

• Knallt beim Einschalten sofort hin – Vorzeichen der inneren Schleife invertiert.
• Aufklingendes Pendeln bis zum Fall – Differentialverstärkung zu niedrig, oder D aus differenziertem Winkel statt Gyro-Rate genommen.
• Surrt aufrecht – Proportionalverstärkung zu hoch, oder Schleife zu langsam für diese Verstärkungen.
• Sackt kampflos zu Boden – Proportionalverstärkung zu niedrig, oder Motoren in Sättigung.
• Balanciert, fährt aber davon – Montagetrimm, mit zu wenig Integral zum Aufsaugen.

Die Fehlermodustabelle geht jedes genauer durch, und jedes lässt sich im Simulator absichtlich reproduzieren – der schnellste Weg, sie erkennen zu lernen.