Mejoramiento del Diseño de Control y Electrónico de un Vehículo Autobalanceado

Abstract

El transporte ha cobrado gran relevancia en las ciudades modernas, en las que el aumento de población, los atochamientos y la polución, degradan la calidad de vida. Es en respuesta a estos problemas que surgen nuevos e innovadores medios de transporte, como el que se aborda en este trabajo. Un vehículo de pequeño tamaño consistente en una plataforma autobalanceada con dos ruedas laterales, en que el pasajero se ubica sobre la plataforma mientras las ruedas lo movilizan.

Específicamente, se aborda el mejoramiento de un prototipo desarrollado en 2009, el cual logró ser funcional, pero su operación requería un alto grado de destreza y entrenamiento, además de presentar un comportamiento, en ocasiones, poco predecible. Por este motivo se planteó en este trabajo, la intervención completa del vehículo en cuanto a diseño electrónico y software de control, con el fin de generar una segunda versión del mismo con mejoras técnicas sustanciales. Adicionalmente, se abordaron algunos aspectos mecánicos y estéticos, con el fin de proteger los componentes electrónicos y mejorar la experiencia de manejo, permitiendo que el usuario maniobre el vehículo inclinando el mando de dirección lateralmente, siguiendo el movimiento natural del cuerpo.

El rediseño de la electrónica se hizo en base a los conocimientos adquiridos en el trabajo anterior, integrando la información previa disponible y añadiendo elementos nuevos que permitieran cumplir los objetivos planteados. Los puentes H, encargados de accionar los motores, fueron reconstruidos utilizando una estructura de bus laminado, aumentando así su capacidad de corriente y reduciendo las inductancias parásitas. El mejoramiento de la electrónica de disparo de los puentes H, permitió reducir a una décima parte los tiempos de conmutación, mejorando la eficiencia del circuito. Se incorporaron además protecciones por hardware para evitar cortocircuitos, así como sensores para monitorear y controlar la corriente circulante por los motores.

Se desarrolló una nueva unidad IMU independiente de la tarjeta de control, capaz de obtener mediciones de inclinación y de su derivada en tiempo real, sin contaminación por ruido inducido, gracias a su interfaz completamente digital. La tarjeta de control también fue rediseñada para ajustarse a la nueva configuración de los sistemas, mediante conexiones limpias, minimizando el número de cables.

El nuevo software se desarrolló desde cero, utilizando un esquema modular e incorporando conceptos como la abstracción de hardware, para simplificar la portabilidad y facilitar la comprensión de su funcionamiento. Esto posibilita la utilización del vehículo como plataforma de desarrollo de estrategias de control, en la cual la interacción con el hardware y la administración del sistema ya están resueltas. Además, se implementó una interfaz de comunicación por comandos, a través de la cual se puede monitorear el sistema, modificar parámetros y ejecutar órdenes usando un programa cliente externo al vehículo, conectado vía USB a la tarjeta de control.

Desde el punto de vista electrónico y luego de los cambios introducidos, el vehículo se desempeñó correctamente. Las medidas tomadas para mejorar la robustez del sistema permiten una operación confiable, sin necesidad de precauciones adicionales por parte del usuario. La mayor cantidad y calidad de las mediciones de los instrumentos, junto con la aplicación de dos lazos en cascada (tanto para el control de inclinación a través de un torque en los motores, como para sus perturbaciones en la dinámica) mejoró sensiblemente el comportamiento del vehículo, lo que fue verificado a través de encuestas de percepción realizadas a usuarios novatos antes y después de las modificaciones. Destaca en estas evaluaciones el tiempo requerido para un manejo mínimo, que se redujo de unos 30 minutos a alrededor de 10 minutos.