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Physik | Technik
Timon Mettler, 2001 | Benken, SG
Mein Projekt behandelt den Eigenbau eines Stehrollers, der wie ein Segway benützt werden kann. Durch Gewichtsverlagerung kann man die Geschwindigkeit kontrollieren sowie vorwärts oder rückwärts fahren. Mit dem Bewegen der Lenkstange zur Seite kann man die Fahrtrichtung bestimmen. Ich erarbeitete alles selbständig und ohne Anleitung. Das Grundgerüst besteht aus zwei Holzplatten mit den Radbefestigungen und der Lenkstange. Innen sind die gesamte Elektronik und die Stromversorgung untergebracht. Bereits in meiner Matura-Arbeit hatte ich einen funktionstüchtigen Stehroller gebaut. Dieser war jedoch nur schwer zu kontrollieren. Deshalb setzte ich mir das Ziel, diesen so zu modifizieren, dass er leichter zu fahren ist.
Fragestellung
Das Ziel meines Projektes ist es, einen Stehroller zu bauen, der möglichst nahe an das Fahrerlebnis eines Segways kommt. Ich bediene mich ausschliesslich handelsüblicher Produkte, die online beschafft werden können. Ausserdem will ich die Höchstgeschwindigkeit eines Segways, also 25 Stundenkilometer, überbieten.
Methodik
Mechanik: Als erstes baute ich das Grundgerüst, an dem zwei Achsen mit je einem Rad, die Winkel für den Antrieb, die Steuerung und die gesamte Elektronik befestigt sind. Ich entschied mich für einen Zahnriemenantrieb, der durch das Verschieben von Winkeln gespannt werden kann. Auch die Lenkung befestigte ich auf der Mehrschichtholzplatte. Daneben wurden die Akkus und die Elektronik verbaut. Darüber montierte ich eine zweite Holzplatte als Stehplattform. Elektronik: Die Stromversorgung für die Sensorik erfolgt mit einer Batterie (9 V). Ein Arduino-Controller reduziert die Spannung auf fünf Volt. Damit verbunden sind ein Potenziometer für die Steuerung, die beiden Motorcontroller, der Lage- und Beschleunigungssensor, ein Sicherheitsknopf und ein Modiknopf. Der zweite Stromkreis wird von drei Akkus (14,8 V) betrieben, die in Serie geschaltet sind und eine Kapazität
von 20 Amperestunden haben. Sie sind mit den beiden Motorcontrollern verbunden. Diese bestimmen, mit wie viel Strom und Spannung die beiden Motoren betrieben werden. Informatik: Den Arduino-Controller programmierte ich mit der IDE von Arduino. Der MPU 6050 berechnet den Winkel, der mithilfe eines PID-Algorithmus und der Motorcontroller die Drehzahl für die Motoren regelt. Die Motorcontroller sind VESCs, die für elektronische Skateboards genutzt werden. Diese verfügen über viele Einstellmöglichkeiten, die mit dem VESC-Tool kalibriert und festgelegt werden konnten.
Ergebnisse
Der erste Prototyp war nur schwer zu fahren. Er oszillierte bei tiefer Geschwindigkeit.
In meinem Projekt wollte ich dieses Problem eliminieren. Die Lenkstange wurde verstärkt. Ich versuchte, das Fahrverhalten auf mehrere Arten zu verbessern. (I) Ich setzte den Schwerpunkt nach unten. (II) Ich wählte grössere Räder, die träger reagieren. (III) Ich verbesserte die Software, wobei aber noch nicht alle Möglichkeiten ausgeschöpft sind.
Diskussion
Der erste Prototyp war ein funktionstüchtiger Stehroller. Dieser benötigte jedoch zu viel Übung für die Bedienung. Deshalb habe ich mich entschieden, einen zweiten Prototyp zu entwickeln, um das Fahrverhalten eines Segways möglichst genau zu imitieren.
Bei meinem Projekt habe ich mich zu sehr auf den praktischen Teil der Arbeit konzentriert und dabei die Planung und Dokumentation in den Hintergrund gestellt. Zusätzlich suchte ich meistens selbst Hilfe im Internet und habe meine Betreuer oder Experten zu wenig um Unterstützung gebeten. Für die Auslegung der Teile habe ich immer Skizzen erstellt, sodass ich möglichst keine falschen Bestellungen machte. Gelegentlich wären auch vorgängige Berechnungen hilfreich gewesen. Ich begann bereits früh mit dem Programmieren. Da ich keine Vorkenntnisse besass, las ich mich zuerst in C++ ein und nach einigen Testprogrammen wagte ich mich an die Software für den Stehroller.
Schlussfolgerungen
Ich konnte einen fahrfähigen Stehroller bauen, der schneller als ein herkömmlicher Segway ist. Die Stabilität bei tiefen Geschwindigkeiten lässt noch zu wünschen übrig. Weiter werde ich noch die Software optimieren, um die Laufruhe der Antriebe zu verbessern. Auch bei der Ästhetik sehe ich noch Verbesserungspotenzial. Im Grossen und Ganzen bin ich zufrieden mit meiner Arbeit, denn ich besass kaum Vorwissen und habe mir alles Notwendige für die Matura-Arbeit erarbeitet. Ich bin zuversichtlich, dass die Probleme noch behoben werden können und ich somit einen benutzerfreundlichen Stehroller besitze.
Würdigung durch den Experten
Prof. Heinz Domeisen
Timon Mettler hatte bereits als Kind von einem Segway geträumt und wollte selbst ein solches Fahrzeug bauen. Mit grossem Einsatz hat er die notwendigen Komponenten evaluiert, programmiert und zusammengebaut. Bei technischen Problemen hat er die möglichen Ursachen gesucht um sie zu beheben. Dass er die automatische Gleichgewichtsregelung in den Griff bekam, zeugt von seinem Willen, auch anspruchsvolle mechatronische Zusammenhänge erfolgreich anzupacken. Er konnte bei der Umsetzung und Optimierung viele Erfahrungen sammeln und hat dabei physikalische und eigene Grenzen ausgelotet.
Prädikat:
sehr gut
Kantonsschule Wattwil
Lehrer: Simon Schälli