Reaction Wheel - 775: Robot con lắc ngược tự thăng bằng

Robot thăng bằng Reaction Wheel — Bánh đà & Trục xoay

Đây là mẫu robot con lắc ngược tự thăng bằng, hoạt động dựa trên nguyên lý của bánh đà (reaction wheel). Bánh đà quay với tốc độ lên đến 4600 RPM, tạo ra momen xoắn hồi chuyển để giữ cho robot đứng thẳng — không cần bánh xe, không cần chân, chỉ dựa hoàn toàn vào mô-men động lượng.

Với việc tinh chỉnh PID hợp lý và thuật toán khử bão hòa (desaturation), robot có thể giữ thăng bằng liên tục trong suốt thời gian sử dụng pin. Hệ thống khử bão hòa giúp ngăn ngừa tình trạng quá tốc độ của bánh đà bằng cách điều chỉnh điểm thiết lập (setpoint), giữ cho bánh đà luôn nằm trong dải hoạt động hiệu quả nhất.

Cảnh báo an toàn: Ở tốc độ 4600 RPM, vành bánh đà đạt vận tốc ~37 m/s (133 km/h). Việc hỏng hóc kết cấu ở tốc độ này cực kỳ nguy hiểm — các mảnh vỡ của bánh đà sẽ trở thành vật thể bay với vận tốc rất cao. Tuyệt đối không sử dụng các bộ phận bị hư hỏng, tách lớp hoặc in lỗi. Hãy kiểm tra bánh đà trước mỗi lần vận hành. Không được vượt quá số vòng quay cho phép (RPM). Giữ khoảng cách an toàn cho người xung quanh trong các lần thử nghiệm quay đầu tiên. Tác giả không chịu trách nhiệm cho bất kỳ chấn thương hoặc thiệt hại nào phát sinh từ việc sử dụng sai cách hoặc chất lượng in kém.

Phân tích an toàn — Dữ liệu đo đạc thực tế

Dựa trên phiên vận hành thăng bằng ổn định kéo dài 15,6 giây, được lấy mẫu ở tần số ~428 Hz, sử dụng cấu hình mặc định (pidPower 70%, motorPower 65,4%, pin 12V).

Bộ điều khiển hoạt động rất an toàn. Khi ở trạng thái thăng bằng ổn định, robot chỉ sử dụng trung bình khoảng 13% công suất động cơ, với những lần tăng nhẹ lên 50% khi cần phục hồi sau va chạm. Giới hạn PWM 70% trong phần mềm chưa bao giờ bị chạm tới trong điều kiện bình thường, tạo ra biên độ an toàn thoải mái so với giới hạn của động cơ và driver.

Bánh đà không bao giờ tiến gần đến tốc độ không tải của động cơ. Tốc độ bánh đà tối đa quan sát được chỉ bằng khoảng một nửa mức tối đa lý thuyết. Điều này có nghĩa là bộ điều khiển giữ bánh đà nằm trong dải momen xoắn hiệu quả. Hiện tượng bão hòa bánh đà, chế độ lỗi chính của các con lắc reaction wheel, không xảy ra với cài đặt mặc định.

Độ ổn định của con lắc rất chặt chẽ và có tính xác định. Bộ điều khiển giữ con lắc trong khoảng ±1° so với phương thẳng đứng 99,5% thời gian, với độ lệch chuẩn chỉ 0,31°. Robot không bị dao động lớn hay hành vi mất kiểm soát trong phạm vi đã xác minh.

Giá trị tốc độ bánh đà được ước tính từ chu kỳ xung (PWM) và thông số động cơ (động cơ chổi than 775, ~950 RPM/V không tải), không phải đo trực tiếp. Tốc độ thực tế có thể chênh lệch ±20% tùy thuộc vào ma sát vòng bi, lực cản không khí và sự khác biệt giữa các đơn vị động cơ. Để đo chính xác, hãy lắp tachometer hoặc bật tính năng ước tính tốc độ dựa trên cảm biến dòng điện (csEn=true trong cấu hình firmware).

Các giá trị này áp dụng cho cấu hình phần cứng cụ thể trong danh mục vật tư (BOM). Việc thay đổi động cơ, điện áp pin, khối lượng bánh đà hoặc xóa giới hạn phần mềm sẽ làm mất hiệu lực các phân tích này. Người lắp ráp nếu thay đổi phần cứng cần tự thực hiện đánh giá lại hệ thống của mình trước khi giả định mức độ vận hành an toàn tương tự.

Driver firmware, ứng dụng webui và trình gỡ lỗi blackbox — Đang cập nhật