Electronic pendulum

Abstract

The pendulum is one of the simplest physical devices. Due to its simplicity, it is often represented on robotics, control and machine learning courses by simulations. However, there are upcoming courses at Tampere University, where the difference between simulations and the real world needs to highlighted, and a hands-on project is deemed beneficiary for the students. Given the predominant focus on simulations, there are very few, if any, simple electronic pendulums. This thesis explores existing research and projects already done on the subject, outlines the process of designing and building an electronic pendulum from scratch, and offers general instructions and an in-depth look into the thought process essential for building an electronic pendulum regardless of the available components.

Various article and thesis databases were consulted for the background information on past pendulum projects. One particular project stood out and was picked as the backbone of this project. The main electronic components of the pendulum are a DC motor, angular encoder, a motor driver and a single-board microcontroller. The components were picked carefully and it was made sure that they would work with each other. This process is detailed in the thesis, along with some things one must consider when doing the wiring work and designing the structure. Regarding the components and structure, some ideas and suggestions based on the difficulties experienced in building the demo pendulum are also provided along with the most critical warnings for the wiring. Some basic structural and functional testing was conducted and documented. The final demo product is a functional electronic pendulum that meets the testing criteria.

Heiluri on yksi yksinkertaisimmista fysikaalisista laitteista. Yksinkertaisuutensa vuoksi se saatetaan sivuuttaa robotiikan, säädön ja koneoppimisen kursseilla simulaatioiden tarjotessa lähes yhtä hyvän demonstraation. Tampereen yliopistolla on kuitenkin suunnitteilla kursseja, joissa oikean maailman ja simulaation ero on tarkoitus tuoda esille, ja mukaansatempaava fyysinen projekti olisi hyödyllinen opiskelijoille. Keskittyminen simulaatioihin on niin suurta, varsinkin tällä tasolla, että yksinkertaisia elektronisia heilureita on saatavilla erittäin heikosti, jos ollenkaan. Tässä työssä tutkitaan aiempia projekteja ja tutkimuksia, jotta saadaan käsitys saatavilla olevista heilureista ja työ käsittelee heilurin alusta asti suunnittelemisen ja rakentamisen vaiheet. Se myös tarjoaa yleisiä ohjeita ja syvemmän katsauksen siihen ajatusprosessiin, joka pitäisi olla perustana tällaista projektia toteuttavalla. Tarkoitus on, että tämän työn avulla henkilö pystyy suunnittelemaan ja rakentamaan elektronisen heilurin mistä vain saatavilla olevista osista.

Aluksi tutkittiin eri artikkeli- ja opinnäytetyötietokantoja taustatiedon keräämiseen aiemmista heiluriprojekteista. Yksi projekti valittiin tämän projektin perustaksi. Elektronisen heilurin tärkeimmät komponentit ovat tasavirtamoottori, kulmaenkooderi, moottoriohjain ja yhden levyn mikrokontrolleri. Komponentit valittiin huolella ja varmistettiin, että ne ovat toistensa kanssa yhteensopivia. Tämä prosessi on selitetty työssä johdotuksen ja rakenteen ohella. Työ tarjoaa myös yleisiä ohjeita ja ehdotuksia komponentteihin ja rakenteeseen liittyen perustuen demoheiluria rakennuksessa törmättyihin ongelmiin. Siinä on myös tämän kaltaiseen johdotukseen liittyviä varoituksia ja asioita, mitä ei kannata tehdä. Demoheilurille asetettiin ja tehtiin muutama perustesti liittyen rakenteeseen ja toimintaan. Valmis demoheiluri on toimiva elektroninen heiluri, joka täyttää testikriteerit.