Poste autoequilibrado con motores de dron desafía el control clásico

El mantenimiento del equilibrio vertical de un objeto sobre un único punto representa un desafío fundamental en la teoría de control, susceptible a la más mínima perturbación. En respuesta a este problema, el ingeniero Peter Ryseck ha desarrollado un poste autoequilibrado que utiliza motores de dron para sostenerse en posición vertical durante horas, tal como Hackster.io ha documentado.

El sistema se compone de un eje de fibra de carbono que transfiere casi la totalidad de su peso directamente al suelo. En su extremo superior, un bastidor impreso en 3D aloja cuatro motores sin escobillas, controlados por un dispositivo PX4 que incorpora acelerómetros y giroscopios para el seguimiento de la orientación. Una batería LiPo 3S suministra la energía necesaria. Los motores tienen la función exclusiva de generar fuerzas horizontales compensatorias ante cualquier inclinación, operando la mayor parte del tiempo con un mínimo empuje.

La fase de diseño del hardware implicó una serie de experimentos, especialmente en la selección de las hélices. Tras probar con modelos de bajo RPM y grandes dimensiones, que resultaron ineficaces debido a la inercia rotacional que impedía cambios rápidos de velocidad, y también con hélices de 3 pulgadas, Ryseck optó finalmente por hélices de 5 pulgadas. Estas ofrecieron el equilibrio adecuado entre la capacidad de generar empuje suficiente y la agilidad para modificar su velocidad rápidamente cuando era necesario.

En el ámbito del software, se desarrolló una simulación por ordenador del poste para ajustar un controlador proporcional-derivativo (PD), sensible tanto al ángulo como a la velocidad angular del poste. La implementación de estos parámetros en el hardware real reveló una característica no modelada: la flexibilidad del poste de fibra de carbono. La telemetría del controlador de vuelo identificó una resonancia estructural significativa a aproximadamente 18 Hz. Dado que el movimiento de equilibrio primario ocurre por debajo de 5 Hz, se integró un filtro de muesca dinámico en el PX4 para detectar y suprimir estas resonancias, evitando que el controlador reaccione a vibraciones estructurales y permitiendo una respuesta normal al desequilibrio.

Adicionalmente, el software incluye una función para ajustar lentamente el ángulo objetivo, compensando el sesgo del sensor de la unidad de medida inercial (IMU) y fuerzas constantes como el viento. Esta capacidad permite al poste inclinarse en contra del viento, utilizando la gravedad para contrarrestarlo y minimizando el consumo de energía por parte de los motores. Una prueba de campo en un día ventoso demostró que el poste mantuvo su equilibrio durante más de tres horas, con la batería experimentando una descarga mínima, del 12.6 a 11.1 voltios, lo que subraya la eficiencia del sistema.