Construa um robô autoequilibrador com MPU6050 e PID

O que você está construindo

Um robô que fica de pé sobre duas rodas sem nada segurando-o além da aritmética.

A construção mecânica é realmente simples — dois motores, uma estrutura, um sensor, uma bateria. O que torna este projeto digno de ser feito é que o problema de controle não oferece margem para falhas parciais. Um robô seguidor de linha com ganhos medianos ainda segue a linha, mal. Um robô de equilíbrio com ganhos medianos fica no chão. É essa nitidez que faz dele a melhor maneira possível de entender PID de verdade.

No fim, você terá um robô que fica de pé, resiste a um empurrão e permanece aproximadamente onde você o colocou.

Por que é difícil

Toda a massa do robô fica acima do eixo. Isso faz dele um pêndulo invertido: a vertical é um equilíbrio da mesma forma que um lápis equilibrado na ponta é um equilíbrio — real em princípio, impossível sem correção constante. Incline-o um pouco e a gravidade produz um torque que o inclina ainda mais, mais rápido.

A única defesa do robô é poder mover sua própria base. Dirigir as rodas para frente empurra o eixo de volta sob o centro de massa e gira o corpo para a vertical novamente. Daí resulta a regra contraintuitiva que governa o projeto inteiro: para parar de cair para a frente, dirija para a frente.

Duas consequências seguem-se, e elas moldam tudo abaixo:

1. Você não pode controlar a posição diretamente. Dirigir os motores a partir do erro de posição faz a base acelerar para fora debaixo da massa, e o robô cai na direção oposta à que você pediu. A posição precisa ser controlada por meio da inclinação.
2. Existe um limite rígido de recuperação, em torno de 35°. Depois dele, a aceleração necessária excede o que as rodas podem entregar antes de o corpo alcançar o piso, e nenhum ganho ajuda.

Lista de materiais

Total: aproximadamente US$ 45–60.

Três dessas escolhas são estruturais, e errar qualquer uma delas torna o robô impossível de ajustar, e não apenas pior.

Motores com redutor metálico. Um robô autoequilibrador inverte a direção centenas de vezes por segundo em pequenos incrementos. A folga é cobrada uma vez em cada inversão, de modo que a zona morta de um redutor de plástico fica exatamente onde a correção precisa atuar. O resultado é um robô que oscila em torno da vertical e nunca se estabiliza, por mais cuidadosamente que os ganhos sejam ajustados — e parece convincentemente um problema de ajuste.

Um driver MOSFET. O L298N consome aproximadamente 2 V antes de o motor ver qualquer coisa, o que significa que comandos pequenos de correção ficam abaixo da tensão em que o motor se move. Novamente, uma zona morta exatamente onde vivem as correções finas.

Bateria montada no alto. Esta é a escolha que surpreende as pessoas. Um robô mais alto, com massa bem acima, cai mais devagar — o período do pêndulo varia com a raiz quadrada do comprimento — o que dá ao laço de controle mais tempo para reagir. Um robô baixo e pesado é mais difícil, não mais fácil.

Ordem de construção

Faça nesta ordem. Cada etapa pode ser verificada sozinha, o que importa muito em um projeto cujo estado final é binário.

1 — Obtenha um ângulo de inclinação confiável. Conecte o MPU6050 e siga leitura de inclinação em um MPU6050. Não avance até o ângulo ler perto de zero quando estiver de pé, mudar no sentido certo quando você o inclinar e permanecer parado quando o robô estiver parado. Tudo o que vem depois é construído sobre esse número.

2 — Faça o ângulo sobreviver ao movimento. Um acelerômetro sozinho é inutilizável em um robô em movimento, e um giroscópio sozinho deriva em segundos. O filtro complementar os funde em uma linha. Teste sacudindo o robô sem alterar sua orientação — o ângulo mal deve mudar.

3 — Ajuste o laço interno no simulador. Antes que qualquer robô físico possa cair, use o simulador de equilíbrio para criar intuição sobre o que cada ganho faz. Coloque o ganho derivativo em zero em um robô que está se equilibrando e observe a oscilação crescer até ele cair; essa falha é muito mais barata de ver ali do que na sua mesa.

4 — Faça-o ficar de pé. Escreva o laço interno de controle de equilíbrio PID em cascata, com o laço externo desativado. O sucesso aqui é um robô que fica de pé e pode vagar livremente. Não tente corrigir a deriva de posição ainda.

5 — Adicione encoders e o laço externo. Com a contagem em quadratura fornecendo a posição real das rodas, ative o laço externo para que o robô segure um lugar. Comece o ganho muito abaixo do que parece razoável — o efeito é indireto e é fácil fazer os dois laços brigarem.

Observações dos componentes que realmente importam

Monte a bateria no alto. Isso é contraintuitivo e é a escolha mecânica mais útil do projeto. Elevar o centro de massa aumenta o período do pêndulo, então o robô cai mais devagar e o laço tem mais oportunidades de recuperá-lo. Um robô curto e pesado na parte de baixo é muito mais difícil de equilibrar do que um alto.

Use redutores metálicos. Um robô autoequilibrador inverte a direção centenas de vezes por segundo. Motores com redutor de plástico têm folga suficiente para que cada inversão perca os primeiros graus sem fazer nada, e o laço não consegue compensar isso. Motores N20 com encoder são a resposta usual.

Use um TB6612FNG, não um L298N. O TB6612FNG perde muito menos tensão em sua etapa de saída. Em um L298N, comandos pequenos de correção ficam abaixo da tensão em que o motor se move — criando uma zona morta exatamente onde vivem as correções finas.

Dê aos motores uma alimentação própria. Um pacote de bateria que cai sob corrente de travamento causa queda de tensão no microcontrolador no meio de uma correção. O robô então cai por motivos que não têm nada a ver com o laço de controle, o que é uma situação horrível de depurar.

Verificando durante a construção

Como fica um bom resultado

A razão entre as taxas dos laços é o número que mais primeiras construções erram. O laço interno mantém a inclinação; o externo pede uma inclinação para poder se deslocar. Se o laço externo roda em qualquer taxa próxima à do interno, ele persegue um alvo que o laço interno ainda não alcançou, e os dois brigam. Uma separação de cinco a dez vezes é a regra que funciona.

A linha de “deriva” existe por causa dos encoders, e vale ser claro: um robô com apenas um laço de inclinação se equilibra lindamente e vaga pela sala, porque nada está dizendo onde ele está. Ele está em pé e perdido. Adicionar o laço externo de posição é o que o transforma de uma demonstração em um robô.

Convenções de sinal: a coisa que perde uma noite

Quatro sinais precisam concordar, e não há como deduzi-los — é preciso verificar cada um na bancada, com o robô na mão:

Se você inverter o terceiro, o robô acelera a própria queda, com força, na direção em que já estava indo. É inconfundível, e vale testar com as rodas fora do chão.

Quando não funciona

Quase toda falha é uma de cinco coisas, e elas são diferentes o suficiente para distinguir:

• Desaba instantaneamente ao ligar — o sinal do laço interno está invertido.
• Oscilação crescente até cair — ganho derivativo baixo demais, ou termo D calculado pela diferença entre ângulos em vez da taxa do giroscópio.
• Zumba enquanto fica de pé — ganho proporcional alto demais, ou o laço rodando devagar demais para esses ganhos.
• Desaba no piso sem lutar — ganho proporcional baixo demais, ou motores saturando.
• Se equilibra, mas sai dirigindo — desvio de montagem, com pouco termo integral para absorvê-lo.

A tabela de modos de falha detalha cada um, e todos podem ser reproduzidos deliberadamente no simulador — a maneira mais rápida de aprender a reconhecê-los.