Diseño de una arquitectura de control para vehículos eléctricos omnidireccionales
Fecha
2015
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Editor
Universidad EAFIT
Resumen
La necesidad de vehículos silenciosos sin emisiones de carbono, así como, el avance en motores eléctricos, baterías y controladores, han impulsado el desarrollo e investigación de productos de movilidad eléctrica en todo el mundo, desde pequeños robots que juegan fútbol, vehículos para transportar equipos de rescate o cámaras de vigilancia, sillas de ruedas o vehículos para movilidad unipersonal, hasta buses y montacargas -- Lo anterior motivó que se incorporara en el pensum de Ingeniería de Diseño de Producto de la Universidad EAFIT, un curso en el que los estudiantes deben diseñar y construir el prototipo de un producto de movilidad eléctrica -- La experiencia con el curso, muestra que el sistema de control y su integración con los sensores, actuadores y mandos del producto es esencial para lograr que éste sea confiable, robusto, amigable y constituye un factor diferenciador e innovador -- Así mismo, se han evidenciado dificultades en los prototipos que utilizan dirección por diferencial de velocidad, es decir cuando la dirección de desplazamiento se determina mediante el control de la velocidad y sentido de giro de dos de las ruedas cada una con un sistema de propulsión independiente -- Adicionalmente, una de las necesidades recurrentes ha sido el diseño y construcción de un vehículo fácil de maniobrar y de bajo costo que pueda evadir obstáculos, estacionar y circular fácilmente por pasillos estrechos o congestionados. Para esto, en la actualidad existen vehículos eléctricos omnidireccionales pero son productos costosos que integran todos los componentes (mecánicos y eléctricos) -- Lo anterior motivó el estudio del estado del arte en vehículos eléctricos omnidireccionales y el análisis de la posibilidad de ofrecer a los estudiantes del curso la opción de controladores que se puedan utilizar en diferentes productos con características de movimiento omnidireccional -- Se encontraron fabricantes de vehículos omnidireccionales, pero sus productos son costosos y los controladores utilizados son específicos para los componentes mecánicos y eléctricos -- Se plantea el objetivo de desarrollar una arquitectura de control para plataformas eléctricas omnidireccionales con cuatro ruedas tipo Mecanum, que pueda utilizarse en vehículos con diferentes requerimientos de potencia mecánica y condiciones de uso --Se inicia con la determinación de la arquitectura y la selección del tipo de componentes que permitirán utilizar controlar plataformas que tengan diferentes requerimientos de potencia mecánica, sin que sea necesario cambiar el hardware de control -- Se desarrolla un procedimiento para determinar el motor-transmisión-ruedas de acuerdo con los requerimientos de potencia mecánica y un procedimiento para calcular los parámetros que deberán cambiarse en la programación del controlador si se cambia alguno de los componentes del subsistema: motor-transmisión-ruedas -- Se desarrolla y construyen dos plataformas con especificaciones eléctricas y mecánicas muy diferentes: La primera es un modelo escala, construido para entender y verificar la cinemática de estos vehículos y probar la versatilidad del controlador -- La segunda es un prototipo de la plataforma de referencia -- Este prototipo permite de acuerdo con las especificaciones de potencia requerida, intercambiar los motores por otros de la misma serie con potencia diferente: 500 o 650 o 800 Vatios, sin que deba cambiarse el controlador del motor BLDC, ni el sistema de transmisión, siempre y cuando los requerimientos de diseño respecto a velocidad del vehículo no cambie -- En ambas plataformas, la arquitectura de control es la misma, sólo cambian unos parámetros de programación -- Es importante anotar que ninguna de las dos plataformas tiene sistema de suspensión ni frenos, pues el objetivo de las mismas es probar la funcionalidad y adaptabilidad de la arquitectura de control con diferentes requerimientos de potencia mecánica -- La arquitectura de control se prueba con las dos plataformas -- Se analiza su adaptabilidad a las diferentes especificaciones mecánicas -- Se compara el comportamiento real respecto a lo esperado por el modelo cinemático -- Y se prueba el comportamiento para los modos de operación con y sin retroalimentación con el fin de validar cual modo de operación proporciona una mejor maniobrabilidad -- De acuerdo con los resultados de las pruebas, se concluye: La arquitectura de control sí puede adaptarse a plataformas con diferentes especificaciones de potencia mecánica -- En el modo de operación con retroalimentación, la arquitectura de contro utilizada proporciona una mejor maniobrabilidad de la plataforma -- A futuro se debe mejorar aspectos constructivos de las plataformas, que no estaban dentro del alcance del proyecto, como son: un sistema de suspensión que garantice el contacto con el piso de las cuatro ruedas y un mecanismo de freno -- A futuro se debe estudiar y buscar otras opciones de materiales en los rodillos de las ruedas Mecanum que permitan disminuir el deslizamiento
Descripción
Palabras clave
Arduino (Microprocesadores), Ruedas mecanum, Movimientos omnidireccionales