Картинка youtube-канал RC Crawler Extreme

Некоторое время назад, широкому кругу пользователей стал доступен класс весьма примечательных устройств — мотоциклы на радиоуправлении. Тот, кто в первый раз видит подобное устройство в действии, застывает в лёгком ступоре — как же такое может быть?!

Понятно, когда это радиоуправляемая машинка. Но мотоцикл…
Если попытаться обобщить все способы стабилизации подобных устройств, то в основе их лежит принцип гироскопа — устройства, которое реагирует на изменение угла тела, с которым оно связано.

Именно гироскоп позволяет телу сохранять своё положение в пространстве. Первый гироскоп появился ещё в 1817 году, а в 1832 году была усовершенствован, с добавлением к нему вращающегося диска. В 1832 году французский учёный Фуко ещё более усовершенствовал его, добавив карданный подвес, который уже позволил наглядно демонстрировать изменение направления:


Картинка Lucas Vieira, wikipedia.org

Со временем к конструкции гироскопа добавили ещё и электродвигатель, для поддержания скорости его вращения, благодаря этому, в 1880-х годах гироскоп впервые был использован для стабилизации торпед.

Гироскопов существует ряд видов, однако в настоящее время имеет смысл выделить два из них:

• Механические: которые представляют собой раскрученное физическое тело, у которого ось вращения может изменять своё положение в трёхмерном пространстве. Причём скорость вращения тела существенно превышает скорость изменения положения в пространстве его оси вращения. Благодаря этому, гироскоп сопротивляется силам, пытающимся изменить положение его оси. Причём это сопротивление тем больше, чем выше скорость вращения физического тела;
• Микроэлектромеханические (МЭМС) гироскопы: миниатюрные устройства, в которых электрическая и механическая части соединены воедино, представляя собой конструкцию микронного размера. Принцип работы подобных устройств построен на инерции стоячей волны, которая сопротивляется воздействию, пытающемуся изменить её положение в пространстве. Благодаря значительному снижению стоимости производства подобных устройств, в настоящее время они используются в массе направлений: мобильные устройства, игровые приставки, системы ориентирования роботов и т.д. МЭМС-гироскопы зачастую используются в сочетании с акселерометрами, что позволяет определять движение тела в пространстве. Поэтому, обычно они выпускаются в виде единого устройства (например, широко известный в любительской робототехнике датчик GY-521 (на базе микросхемы MPU-6050) ):

Картинка 3d-diy.ru

Способы стабилизации же двухколёсных устройств появились далеко не вчера. Например, в истории известен двухколёсный автомобиль П.А.Шиловского, первая открытая презентация которого произошла в 1914 году и автомобиль проехал по улицам Лондона:



Для стабилизации автомобиля был использован принцип механического гироскопа, описанный выше (сопротивление попыткам изменить угол оси вращения). Для этого был применён большой маховик, весом 600 кг и диаметром 1м, толщиной 12 см, который раскручивался с помощью электродвигателя на 110 вольт (1,25 л.с.), питающегося от генератора. Для привода машины использовались 2 ДВС, один — для питания генератора, другой — для привода машины в движение.

Эффективность системы была достаточно высокой и как писали свидетели этого события, вызвала фурор во время презентации, когда во время попыток повалить машину, люди не смогли её даже раскачать!

К сожалению, начавшаяся Первая Мировая война не дала продолжить эти разработки.

Исторические свидетельства о презентации можно было бы считать сказанными «для красного словца», однако и в наше время существуют энтузиасты, строящие подобные полноразмерные устройства, чья механическая гиростабилизация также выглядит впечатляюще, вполне себе неплохо работает и подтверждает исторические свидетельства наглядно:

Причём не обязательно маховик должен располагаться независимо от колёс, он может располагаться и прямо в самих колёсах, вращаясь независимо от них:

Известны построенные на подобном принципе велосипеды, использующиеся для обучения езде на них:


Картинка coolthings.com

Ещё один возможный способ расположения маховика — поперечный, горизонтальный:

Однако это всё больше механические способы стабилизации. А что же насчёт интеллектуальных вариантов?

Один из наиболее известных представляет собой конструкцию, когда маховик расположен вертикально, поперёк конструкции аппарата и стабилизируется с помощью электродвигателя с большим моментом. Благодаря этому, маховик может давать компенсирующие импульсы, в противоположную сторону, при заваливании конструкции на один или другой бок:

На подобном принципе базировались два балансирующих робота японской компании Murata: Murata boy и Murata girl, которые получили приз, как лучшее изобретение 2006 года. Роботы содержали встроенный в тело маховик, компенсирующий заваливание системы.

Однако исследователи отмечают минус подобной стратегии коррекции положения: стабильность её весьма условна, так как она легко выйдет из равновесия, если система всё время будет наклонена в одну сторону во время езды, что приведёт к тому, что рано или поздно, двигатель, раскручивающий маховик, достигнет максимальной скорости вращения в противоположную, компенсирующую сторону. Другими словами, у него не останется необходимых ресурсов для компенсации завала, и система опрокинется.

Гораздо более интересной в этом смысле видится стратегия стабилизации, которая аналогична принципу езды на велосипеде человека, когда выравнивание осуществляется с помощью поворота руля, в сторону заваливания.

Кстати сказать, многие исследователи вопроса систем стабилизации, стараются концентрироваться как раз на этом подходе, так как именно он позволяет обеспечить энергоэффективный способ (не нужно постоянно держать вращающимся маховик), который, к тому же, не занимает полезное пространство движущейся системы, так как все более-менее серьёзные исследования практически полностью направлены на создание альтернативных видов городского транспорта, и, поэтому, борьба за свободное место на борту и эффективность — идёт «в полный рост».

Однако, вернёмся к нашим мотоциклам. Автору этой статьи, к сожалению, не удалось найти процесс разборки подобного готового мотоцикла, который дал бы однозначно понять, как происходит процесс стабилизации у таких игрушек. Единственное, что удалось выяснить, это то, что у дешёвых вариантов мотоциклов — в заднем колесе установлен массивный маховик, вращающийся независимо от колеса (собственно поэтому, как можно заметить, заднее колесо таких мотоциклов не «спицевое» и выглядит как монолитный диск, т.к. внутри скрывается маховик, со своим, отдельным электроприводом).

Мало того, несмотря на многодневные поиски, не удалось найти ни одной мало-мальски стоящей самоделки, базирующийся на этом принципе стабилизации с помощью доворота руля (и доступного подробного описания к ней). В интернете не просто мало информации на тему таких самоделок, она просто отсутствует! Периодически, у некоторых энтузиастов на форумах возникают подобные вопросы, однако, ввиду сложности вопроса, они так и остаются простым желанием.

Это связано с тем, что подобные разработки требуют достаточно серьёзных исследований и являются далеко не «проектом выходного дня».

Те же счастливчики, которые добились существенных результатов, просто не выкладывают свой код и схемотехнику на общее обозрение:

Либо вообще начинают выпускать свои устройства, маркированные пометкой «patent pending» :-)

К тому моменту, когда автор уже окончательно приуныл, ему пришла в голову интересная мысль: а что если для рядового самодельщика подобное устройство является слишком сложным (для разработки с нуля), но оно вполне посильно для выпускников соответствующих технических ВУЗов, в выпускных работах которых вполне может содержаться анализ и решение подобной проблемы? И эта мысль оказалась абсолютно правильной!

Автору удалось найти целый ряд выпускных квалификационных работ на соискание учёной степени, одна из которых (оригинал — на англ.языке) привлекла внимание тем, что не только содержала тщательную проработку теоретической модели, но и реально созданное устройство — механическую и электронную части (ниже, кликабельно). Кроме того, работа включала отлаженный код для Arduino Uno, доступный для копирования (код содержится прямо в работе, по ссылке выше).


Картинка Riderless self-balancing bicycle/Arthur Grönlund, Christos Tolis. Stockholm, Sweden 2018

Все детали велосипеда (кроме колёс) были отпечатаны на 3D принтере из PLA-пластика, колёса были изготовлены с помощью лазерной резки из оргстекла и оклеены полоской резины.

Ядром системы являлось достаточно стандартное решение из платы микроконтроллера (Arduino Uno), акселерометра/гироскопа GY-521, H-моста для управления коллекторными электродвигателями, ряда датчиков, а также алгоритма PID-регулятора.

В работе был проведён анализ ситуаций, возникающих при вождении велосипеда, и выведено на их основе дифференциальное уравнение, которое связало угол поворота руля с углом наклона велосипеда.

При этом, во время экспериментов с велосипедом данные собирались на SD-карту (данные о величине ШИМ, углах, ускорении и т.д.), дальнейший анализ собранных данных производился в среде MATLAB.

В работе подчёркивается, что весь анализ был проведён по простому варианту, поэтому здесь существует потенциал для улучшения работы системы. Результаты анализа в дальнейшем были использованы для реализации алгоритма системы автоматического контроля.

Сами авторы работы называют результаты неоднозначными, так как в некоторых случаях система работала, а в некоторых нет. Среди отмеченных проблем наблюдалось зависание Arduino Uno, вероятно, из-за одного из далеко расположенных модулей гироскопа/акселерометра, так как провода до него шли рядом и параллельно с силовыми проводами двигателя, в результате чего в них, скорее всего, наводились помехи (его можно увидеть на картинке выше, установленным на вилке руля), кроме того, ещё одна из причин зависания Arduino Uno, скорее всего, кроется в плохом, недостаточно стабилизированном питании платы микроконтроллера).

Тем не менее, это одно из самых проработанных исследований на тему стабилизированных двухколёсных аппаратов, доступное для изучения, результаты которого, вполне могут быть использованы энтузиастами, для дальнейшего осмысления и улучшения.

Подытоживая весь этот рассказ, хочется сказать, что, по мнению ряда исследователей, у некоторых из имеющихся в продаже мотоциклов на радиоуправлении, скорее всего, применён гибридный принцип стабилизации, так как подобные мотоциклы остаются стабильными, даже в состоянии покоя (что невозможно, при использовании только метода подруливания), то есть, помимо подруливания, у ряда моделей видимо используется ещё и вращающийся маховик.

Создание же своего собственного радиоуправляемого мотоцикла помимо интересного вызова, представляет собой ещё и интересные возможности. Например, многие не имеют возможности ездить на мотоцикле (боятся разбиться, негде его хранить и т.д. и т.п.). При установке же на подобный мотоцикл системы FPV можно получить весьма интересные возможности гонок на мотоциклах, без какого-либо риска «для своей бренной тушки» :-), тем более, если мотоцикл будет относительно большого размера (скажем, сантиметров 40-50 в высоту, бензиновый), для спокойного отрабатывания колёсами неровностей почвы, чтобы сильно не трясло картинку FPV-камеры:

Кстати говоря, в качестве «донора» механической части, для последующей установки системы стабилизации для будущего FPV-мотоцикла, можно попробовать взять так называемый «минибайк»:


Картинка mototraveller.ru

При наличии же достаточного количества увлечённых людей, возможно даже проведение чемпионатов:

Этой статьёй автор не задавался целью предложить полностью готовое к применению решение, так как сама задача не слишком простая, и информации по ней не так уж и много. Скорее хотел обратить внимание на интересную сферу приложения своих усилий и любопытный вызов для исследователей гиростабилизированного движения. А уж если подключить машинное обучение, то глядишь и…

RUVDS | Community в telegram и уютный чат