Vyrovnávacia guľa vyvažovaná PID Stewart Platforma: 6 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Motivácia a celkový koncept:

Ako fyzik na tréningu ma prirodzene priťahuje a snažím sa porozumieť fyzickým systémom. Bol som vycvičený na riešenie zložitých problémov tak, že ich rozložím na ich najzákladnejšie a najpodstatnejšie zložky a potom problém odtiaľ staviam späť. Aj keď sa mechaniku a elektromagnetizmus učím podľa prvých princípov, zatiaľ ich musím použiť v nejakej fyzickej aplikácii. Konečne budem mať túto príležitosť vytvorením robota, ktorý používa teóriu automatických ovládačov na autonómne vyváženie lopty na plochej, plne kontrolovanej platforme, všetko samostatne!

V tomto návode; čo je určené pre technicky zdatných hackerov, programátorov alebo inžinierov, ako platformu mikrokontrolérov použijeme Arduino Uno. Uzavretá spätná väzba sa najskôr spustí, keď zistí polohu pevného kovového guľkového ložiska ležiaceho na plochej dotykovej odporovej obrazovke, ktorá vracia guľôčkam ich okamžitú polohu. Táto poloha sa potom privedie do regulátora proporcionálne integrálnej derivácie (PID), ktorý sme naprogramovali do Arduino Uno. Tento kód som urobil open source a prepojil s projektom. Úlohou ovládača je vrátiť loptičku do ľubovoľnej polohy zvolenej používateľom na stole, a to aj vtedy, keď je výrazne rozrušená. Štrukturálna nosná plošina, ktorú budeme používať, je známa ako „Stewartova platforma“a je podporovaná šiestimi nezávislými ojnicami poháňanými servomotormi, ktoré poskytujú až šesť stupňov voľnosti; Preklady X, Y a Z, roll, pitch a yaw (rotácie okolo osí X, Y a Z). Konštrukcia a programovanie takej vysoko mobilnej platformy predstavuje svoje vlastné výzvy, takže v prípade tohto projektu budeme využívať iba stupne voľnosti, pričom ostatné ponecháme ako voliteľné vylepšenia funkcií, ak si to používateľ želá. Spolu s platformou pohybujúcou loptičkou do ktorejkoľvek zo sady statických pozícií definovaných užívateľom bude pre pokročilých programátorov ľahké vylepšiť program a pridať panache nahradením našej statickej, používateľom definovanej polohy, polopriebežnou stopou používateľa. definovaná cesta, ako je osmička, kruhová trajektória, vaše meno v kurzíve alebo moje obľúbené živé vysielanie niekoho stylusom alebo prstom na vlastnom mobilnom zariadení! Šťastné hackovanie!

Krok 1: Získajte materiály

Potrebné materiály:

1. Niekoľko listov 1/4 "a 1/8" akrylu

2. 6 - Servomotory (použili sme servo HS5485HB)

3. 6 - Spojovacie tyče so závitom (nastaviteľné)

4. 6 - CNC obrábané servo ramená s viacerými otvormi na nastavenie

5. 12 - Heim kĺbová tyč končí

6. 6 - Tyče (nastaviteľné)

7. Súprava USB s 1–17 “päťvodičovým odporovým dotykovým panelom (snímanie polohy guľkového ložiska)

Krok 2: Pripravte si materiály

Akrylový rez dosiahnete najlepšie pomocou laserovej kamery. Prístup k jednému môže byť ťažký, takže akrylát je možné tiež ľahko rezať pomocou akýchkoľvek rezných nástrojov, ktoré poznáte, s ktorými ste riadne vyškolení a môžete s nimi bezpečne pracovať. Ak by som to napríklad robil doma, použil by som ručnú pílu. Celkový tvar platformy Stewart sa nemusí presne zhodovať s modelom, ktorý som postavil. Chcem však poukázať na niekoľko zjednodušujúcich príležitostí. Po prvé, je oveľa jednoduchšie zmapovať stupne a stupne voľnosti pomocou troch základov namiesto štandardných dvoch. to sa robí tak, že z pripevnenia ojníc k skutočnej plošine sa stane rovnostranný trojuholník. To vám umožní zanedbať všetky komplikácie súvisiace s nájdením stupňov voľnosti a rozstupu (DOF) od začiatku. Namiesto toho používame 3 nelineárne nezávislé „základy“, ktoré sú jednoducho mapou rohu rohu trojuholníka, ktorý stúpa. Bolo by pre vás alebo pre mňa náročné napísať súradnice na tomto základe, ale vzájomnú závislosť týchto základov kód ľahko zvládne. Tento zjednodušujúci predpoklad je kľúčom k zanedbaniu všetkých zložitostí geometrie. Podrobnosti nájdete na obrázku Grafika MS Paint a obrázok na tabuli.

Akonáhle sú kusy narezané, budete musieť vyvŕtať všetky otvory, ku ktorým sa pripájajú ojnice a guľové kĺby. Dávajte pozor, aby veľkosť otvoru zodpovedala použitému hardvéru. To je nevyhnutné, aby vami zvolené spojovacie prvky fungovali. Veľkosti otvorov sú založené na tom, akú veľkosť kohútika budete potrebovať pre svoj upevňovací prvok. Za týmto účelom vyhľadajte online referenciu pre konkrétnu veľkosť odbočky, rozstup a typ závitu (jemný vs kurz). Odporúčam kurzové vlákna na akryl, ale ak musíte použiť jemné nite, malo by to vyjsť, pretože na to sme aj tak použili. Teraz je čas prejsť na montáž.

Krok 3: Zostavte materiály

Materiály starostlivo zostavte podľa špecifikácie. Buďte obzvlášť opatrní, aby ste neutrhli žiadne skrutky. Akonáhle to urobíte, budete musieť buď zmeniť hardvér tak, že dimenzujete a vyvŕtate väčšie otvory a poklepete ich, alebo budete musieť vyrezať úplne nový kus akrylu. Dávajte si tiež pozor na dotykový displej. Je to krehké !!! Je to predsa tenká vrstva skla. Všimnite si toho, že sami sme mali nehodu.

Krok 4: Programovanie

Programovanie môže chvíľu trvať. Práve tu sa môžu vaše znalosti programovania skutočne vyplatiť. Nemusíte byť schopní napísať kód od začiatku, ale ak nájdete dobre komentovaný a organizovaný zdrojový kód na úpravu, potom je to oveľa jednoduchšie. Tu je odkaz na náš zdrojový kód: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, pomôžte si! Určite to nie je optimalizované, ale svoju prácu som vykonal! Pamätajte si, že pre mapu ovládacích prvkov používame tri samostatné neortoganálne, nelineárne nezávislé základy. Jednoducho čítame všetko v x, y a mapujeme do A, B a C. Táto odpoveď je potom globálne vyladená tak, aby upravila, o koľko viac alebo menej chceme, aby systém reagoval.

Krok 5: Testovanie

Tu testujeme stupne voľnosti. Všimnite si teraz, ako sa naše tri základy vyplácajú! Napríklad, aby ste získali rolku DOF, jednoducho zostúpime o jednu jednotku vľavo, pričom pôjdeme o jednu jednotku hore vpravo a naopak pre druhý smer. Je tiež dôležité, aby ste vykonali dostatočne dobrú prácu pri filtrácii šumu z dotykovej obrazovky. Je to nevyhnutné pre to, aby ste do svojho PID mali k dispozícii dobré údaje.

Krok 6: Dolaďte a užívajte si

Fáza testovania mala skutočne len odstrániť chyby. Tu sa zameriavame na doladenie systému ovládania. to sa dá najlepšie dosiahnuť pomocou prednastaveného algoritmu. Najradšej mám k tomu pristupovať ako ku kritickému problému s tlmením, Ehm! Som fyzik! Vypnete teda tlmiaci termín! Tj. Derivačný termín, ktorý funguje ako ťahaný výraz. Teraz bude lopta divoko oscilovať! Cieľom je však dosiahnuť, aby sa kmity čo najviac približovali harmonickým, aby nerástli a nepadali, ako najlepšie dokážete. Akonáhle to urobíte, zapnete odvodený termín a upravíte ho, kým sa čo najrýchlejšie nevráti do rovnováhy. Vtedy sa dosiahne kritické tlmenie. Ak to však nefunguje, existuje mnoho ďalších osvedčených schém ladenia pre systémy riadené PID. Našiel som to na wikipédii pod regulátorom PID. Ďakujem veľmi pekne, že ste sa pozreli na môj projekt a v prípade akýchkoľvek otázok ma prosím kontaktujte. Na všetky otázky rád odpoviem. Osobitná poznámka: Chcem poukázať na to, že tento projekt od začiatku do konca vykonal Miracle Max Guerrro a ja za necelé štyri týždne, vrátane dvojtýždňového čakania na novú obrazovku, ktorá uviazla v colníctve, po našej prvej. zlomil sa. Ospravedlňte teda, prosím, že to má od dokonalého výkonu ďaleko. Šťastné hackovanie!