En självstabiliserande plattform med lastbärande förmåga

This bachelor thesis is about the design and construction of a self-stabilizing platform. The purpose of this system is to balance objects placed upon the platform by keeping the platform level regardless of how the mechanism itself is rotated. Its uses include stabilization of sensors, cameras and vehicle cockpits. The prototype was constructed using 3D printing and basic machining. It uses two DC motors, an inertial measurement unit, an Arduino Uno microcontroller and a motor driver. The inertial measurement unit acts as an accelerometer and gyroscope, it measures the change in position and angle relative to its starting position. The controller algorithm processes the sensor signal and calculates an appropriate output signal. This output signal regulates the two DC motors in such a way that compensates for any angle changes in the platform. This project is based on, and is the continuation of the work by J. Larsson, titled ”Gimbal stabilizer for cockpit bases of terrain vehicle or combat boat: A proof of concept”. The task is to develop it to a functioning physical prototype and implement a control system which is fast, responsive and precise. The controller tuning process involved a trial and error approach, using binary search between parameters that give a performance that is too slow and a performance that is too fast and unstable. A satisfactory performance was achieved and the platform could effectively stabilize objects that weigh 400 grams at its center, 200 grams at its edges and 100 grams at its corners. This takes 100 milliseconds on average. Besides bearing loads, the platform could also compensate for sudden forced angle changes and any tilting of the mechanism the platform is attached to.Det här kandidatexamensarbetet handlar om konstruktionen och framtagningen av en prototyp för en självstabiliserande plattform med ändamålet att hålla ett objekt horisontellt stabil. Det innebär att oberoende av hur mekanismen vrids eller rör sig kommer plattformen alltid vara parallell med marken. Appliceringsområden för plattformen kan vara att stabilisera kameror och sensorer, samt att hålla förarkabinen i en båt horisontellt stabil oavsett hur vattnet runtomkring rör sig. Prototypen består av en 3D-printad mekanism med två likströmsmotorer, en tröghetssensor, Arduino och motordrivare. Tröghetssensorn fungerar som en accelerometer och gyroskop - den avläser hur mycket plattformen ändrar sitt läge och vinkel relativt de ursprungliga. Data från tröghetssensorn bearbetas i en Arduino Uno-mikrokontroller med hjälp av reglerteknik, där en så kallad PID-regulator beräknar utsignal beroende på insignal. Arduinon skickar sedan utsignalen till motordrivaren som reglerar likströmsmotorerna för att kompensera för eventuella vinkeländringar. Detta projekt ¨ar ett utvecklingsarbete av ett tidigare masterexamensarbete av J. Larsson, med titeln ’ ’Gimbal stabilizer for cockpit bases of terrain vehicle or combat boat: A proof of concept”. Målet är att gå från ett koncept till en praktisk och verklighetsbaserad prototyp, samt att designa en regulator med god precision, stabilitet och responstid. För att bestämma hur regulatoralgoritmen ska fungera användes binärsökning för att hitta vilka P, I och D-värden PID-regulatorn ska ha. Det innebär att man ständigt tar ett medelvärde av en för långsam regulator och en som är för snabb och aggressiv tills önskad prestanda uppnås. Den slutgiltiga prestandan ansågs vara tillräcklig och plattformen kunde effektivt stabilisera 400 gram i mitten på den, 200 gram på dess sidor och 100 gram på dess hörn på ungefär 100 millisekunder. Vidare kunde den kompensera för plötsliga påtvingade vinkeländringar och för lutning hos mekanismen som den sitter fast i