Un cubo nero di circa cinque pollici per lato si alza da terra, gira su se stesso in aria e ricade in bilico su uno spigolo. Sembra un trucco, invece è controllo di assetto. The Tinkering Techie ha costruito un cubo auto-bilanciante che un piede meccanico lancia verso l’alto, mentre una reaction wheel interna lo orienta e lo tiene in equilibrio al momento dell’atterraggio.
La reaction wheel è una ruota che gira dentro il cubo e produce coppia senza spingere su nulla. È lo stesso principio dei satelliti e dei robot auto-bilancianti. Quando il cubo è in volo, la ruota accelera o decelera per ruotare il corpo e fargli assumere l’assetto voluto. Quando tocca lo spigolo, la ruota continua a lavorare per correggere le oscillazioni e mantenere l’equilibrio.
Il piede a molla e il pistone che lancia il cubo
Il lancio non è affidato a un braccio robotico, ma a un pistone caricato a molla. Quando arriva il comando, il pistone si estende di colpo e scarica l’energia della molla sul cubo. Un secondo motore si occupa di retrarre il pistone e ricaricare la molla per il lancio successivo. Così il ciclo si ripete senza intervento manuale.
La sequenza è sempre la stessa: il cubo poggia sul piede, il pistone scatta, il cubo sale, la reaction wheel lo orienta, il cubo atterra su uno spigolo e la ruota lo tiene in piedi. Ogni fase richiede una temporizzazione precisa, perché una correzione troppo presto o troppo tardi manda a terra il cubo sul lato piatto.
ESP32, IMU e motore BLDC: il controllo in volo
Dentro il cubo c’e’ una PCB personalizzata con un ESP32. La scheda legge un IMU per sapere in ogni istante come è orientato il cubo e pilota il motore BLDC della reaction wheel tramite firmware SimpleFOC. La catena di controllo è quindi: l’IMU misura l’assetto, l’ESP32 calcola la coppia necessaria, SimpleFOC la traduce in corrente per il motore.
Per la parte di misura serve un IMU con accelerometro e giroscopio. La parte di attuazione richiede invece un motore BLDC, che nel cubo fa girare la reaction wheel. Il resto è firmware: leggere l’IMU a frequenza alta, filtrare i dati e chiudere l’anello di controllo sulla coppia.
- ESP32 sulla PCB personalizzata, con lettura dell’IMU e pilotaggio del motore
- IMU per misurare l’assetto del cubo in volo e a terra
- Motore BLDC accoppiato alla reaction wheel, gestito con SimpleFOC
- Pistone caricato a molla per il lancio, retratto da un motore dedicato
- Batteria al litio per l’alimentazione a bordo
La difficoltà non sta nel singolo componente, ma nella taratura. La reaction wheel deve avere inerzia sufficiente a correggere l’assetto in pochi decimi di secondo. Inoltre il firmware deve distinguere la fase di volo da quella di equilibrio, perché le correzioni utili in aria non lo sono più quando il cubo è appoggiato sullo spigolo.
Chi vuole vedere il lancio e l’atterraggio in movimento trova il video di The Tinkering Techie con la sequenza completa. Lì si capisce meglio di qualsiasi descrizione quanto poco tempo ha la reaction wheel per raddrizzare il cubo prima che tocchi terra.
Il progetto non è una scatola chiusa: la parte elettronica si può ricostruire con una scheda di sviluppo e un driver per BLDC, mentre la parte meccanica richiede una stampa 3D o una lavorazione su misura per il telaio del cubo e per il piede di lancio. La reaction wheel, infine, va bilanciata con cura, altrimenti le vibrazioni entrano nell’IMU e il controllo perde precisione.
