PID řízené vyvažování míče Stewart Platforma: 6 kroků

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-23 14:38

Motivace a celkový koncept:

Jako cvičící fyzik mě přirozeně přitahuje a snažím se porozumět fyzickým systémům. Byl jsem vyškolen k řešení složitých problémů tak, že je rozdělím na jejich nejzákladnější a nejnutnější složky a poté problém odtamtud stavím zpět. Ačkoli jsem se mechanice a elektromagnetismu učil podle prvních principů, zatím je musím použít v nějaké fyzické aplikaci. Konečně dostanu tuto příležitost vytvořením robota, který používá teorii automatických ovládání k autonomnímu vyvážení míče na ploché, plně kontrolované platformě, a to vše samo!

V tomto postupu; což je určeno pro technicky zdatné hackery, programátory nebo inženýry, jako platformu mikrokontroléru použijeme Arduino Uno. Uzavřená zpětnovazební smyčka se nejprve spustí, když snímá polohu pevného kovového kuličkového ložiska ležícího na ploché dotykové odporové obrazovce, která vrací okamžitou polohu kuliček. Tato poloha je poté přivedena do řadiče proporcionálně integrální derivace (PID), který jsme naprogramovali do Arduino Uno. Udělal jsem tento kód open source a propojen v projektu. Řadič má za úkol vrátit míč do libovolné polohy zvolené uživatelem na stole, i když je výrazně narušen. Strukturální nosná platforma, kterou budeme používat, je známá jako „Stewartova platforma“a je podporována šesti nezávislými ojnicemi poháněnými servomotory, které poskytnou až šest stupňů volnosti; Překlady X, Y a Z, náklon, rozteč a zatáčení (rotace kolem os X, Y a Z). Konstrukce a programování takovéto vysoce mobilní platformy představuje své vlastní výzvy, takže pro tento projekt budeme využívat pouze stupně volnosti a rozteče, přičemž ostatní ponecháme jako volitelné upgrady funkcí, pokud si to uživatel přeje. Spolu s pohybem míče na libovolnou ze sady statických uživatelsky definovaných pozic pokročilí programátoři zjistí, že je snadné program vylepšit a přidat trochu panache tím, že nahradí naši statickou, uživatelem definovanou pozici, poloprůběžnou stopou uživatele. definovaná cesta, jako je osmička, kruhová trajektorie, vaše jméno v kurzivě nebo můj oblíbený živý stream něčího stylusu nebo prstu na vlastním mobilním zařízení! Šťastné hackování!

Krok 1: Získejte materiály

Potřebné materiály:

1. Několik listů 1/4 "a 1/8" akrylu

2. 6 - Servomotory (Použili jsme servo HS5485HB)

3. 6 - Ojnice se závitem (nastavitelné)

4. 6 - CNC obráběná servo ramena s několika otvory pro nastavitelnost

5. 12 - Heim Joint Rod Ends

6. 6 - Tyče (nastavitelné)

7. Sada USB s 1–17 “odporovým dotykovým panelem s pěti vodiči (snímání polohy kuličkového ložiska)

Krok 2: Připravte si materiály

Nejlepší způsob, jak získat akrylový řez, je použití laserové kamery. Přístup k jednomu může být obtížný, takže akrylát lze také snadno řezat pomocí jakýchkoli řezných nástrojů, které znáte, na které jste řádně vyškoleni a můžete bezpečně pracovat. Kdybych to dělal například doma, použil bych ruční pilu. Celkový tvar platformy Stewart nemusí přesně odpovídat modelu, který jsem postavil. Chtěl bych však poukázat na několik zjednodušujících příležitostí. Za prvé, je mnohem snazší zmapovat stupně volnosti a rozteče pomocí tří základů namísto standardních dvou. to se provádí tak, že z připojení ojnic ke skutečné platformě se stane rovnostranný trojúhelník. To vám umožní od začátku zanedbávat všechny komplikace s hledáním stupňů volnosti (DOF), místo toho používáme 3 nelineárně nezávislé „základy“, které jsou jednoduše mapou toho rohu trojúhelníku, který jde nahoru. Bylo by náročné pro vás nebo pro mě vypsat souřadnice na tomto základě, ale vzájemnou závislost těchto základů kód snadno zvládne. Tento zjednodušující předpoklad je klíčem k zanedbání všech složitostí geometrie. Podrobnosti viz obrázek MS Paint grafika a obrázek na tabuli.

Jakmile jsou kusy nařezány, budete muset vyvrtat všechny otvory, ke kterým se připojují ojnice a kulové klouby. Dávejte pozor, aby velikost otvoru odpovídala správnému hardwaru, který používáte. To je životně důležité, aby vámi zvolené spojovací prvky fungovaly. Velikosti otvorů jsou založeny na tom, jakou velikost závitníku budete pro svůj spojovací materiál potřebovat. Chcete -li to provést, najděte online referenci pro konkrétní velikost odbočky, rozteč a typ závitu (jemný vs kurz). Doporučuji samozřejmě vlákna na akryl, ale pokud musíte použít jemné nitě, mělo by to vyjít, protože to jsme stejně použili. Nyní je čas přejít k montáži.

Krok 3: Sestavte materiály

Opatrně sestavte materiály podle specifikací. Dávejte pozor, abyste neutrhli žádné šrouby. Jakmile to bude hotové, budete muset buď změnit hardware změnou velikosti a vyvrtáním větších otvorů a poklepáním, nebo budete muset nařezat úplně nový kus akrylu. Dávejte si také pozor na dotykovou odporovou obrazovku. Je to křehké !!! Je to přeci tenká vrstva skla. Všimněte si, že jsme sami měli nehodu.

Krok 4: Programování

Programování může nějakou dobu trvat. Tady se vám vaše programátorské schopnosti mohou opravdu vyplatit. Nemusíte být schopni psát kód od nuly, ale pokud najdete dobře komentovaný a organizovaný zdrojový kód, který můžete upravit, pak je život mnohem jednodušší. Zde je odkaz na náš zdrojový kód: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, pomozte si sami! Určitě to není optimalizováno, ale práci jsem udělal! Pamatujte, že pro mapu ovládacích prvků používáme tři samostatné neortoganální, nelineárně nezávislé základy. Jednoduše čteme vše v x, y a mapujeme do A, B a C. Tato odpověď je pak globálně vyladěna tak, aby upravila, jak moc více nebo méně chceme, aby systém reagoval.

Krok 5: Testování

Zde testujeme stupně volnosti. Všimněte si nyní, jak se naše tři základy vyplácejí! Například, abychom získali rolovací DOF, jednoduše klesneme o jednu jednotku doleva, zatímco jedeme o jednu jednotku nahoru a naopak pro druhý směr. Je také důležité odvést dostatečně dobrou práci při filtrování šumu z dotykové obrazovky. To je životně důležité pro to, aby do vašeho PID byla vložena dobrá data.

Krok 6: Jemné doladění a užijte si to

Fáze testování byla opravdu jen proto, aby se chyby odstranily. Zde se zaměřujeme na jemné doladění systému ovládání. To se nejlépe provádí pomocí přednastaveného algoritmu. Nejraději mám k tomu přistupovat jako ke kritickému problému tlumení, Ahem! Jsem fyzik! Vypnete tedy tlumící termín! Tedy odvozený termín, který funguje jako tažný výraz. Nyní bude míč divoce oscilovat! Cílem je však dosáhnout toho, aby oscilace byly co nejblíže harmonickým, nerostly a nerozpadaly se, jak nejlépe umíte. Jakmile to uděláte, zapnete derivační člen a upravíte jej, dokud se co nejrychleji nevrátí do rovnováhy. To je, když je dosaženo kritického tlumení. Pokud to však nefunguje, existuje mnoho dalších osvědčených schémat ladění pro systémy řízené PID. Našel jsem to na wikipedii pod PID řadičem. Děkuji moc, že jste se podívali na můj projekt, a v případě dotazů se na mě obraťte, rád zodpovím všechny vaše otázky. Zvláštní poznámka: Chci poukázat na to, že tento projekt od začátku do konce provedl Miracle Max Guerrro a já za necelé čtyři týdny, včetně dvou týdnů čekání na novou obrazovku, která uvízla v celnictví, po našem prvním rozbil. Omluvte tedy prosím, že k dokonalému výkonu má daleko. Šťastné hackování!