Sterowana PID platforma Stewart do równoważenia piłek: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Motywacja i ogólna koncepcja:

Jako fizyk w trakcie treningu pociągają mnie w naturalny sposób i staram się zrozumieć systemy fizyczne. Zostałem przeszkolony, aby rozwiązywać złożone problemy, dzieląc je na najbardziej podstawowe i niezbędne składniki, a następnie budując problem z powrotem. Chociaż uczę się mechaniki i elektromagnetyzmu od podstaw, nie wykorzystałem ich jeszcze w jakimś fizycznym zastosowaniu. W końcu otrzymam tę okazję, tworząc robota, który wykorzystuje teorię automatycznego sterowania do autonomicznego balansowania piłką na płaskiej, w pełni kontrolowanej platformie, wszystko na własną rękę!

W tym poradniku; który jest przeznaczony dla doświadczonych technicznie hakerów, programistów lub inżynierów, użyjemy Arduino Uno jako naszej platformy mikrokontrolera. Zamknięta pętla sprzężenia zwrotnego zaczyna się najpierw, gdy wykryje pozycję solidnego metalowego łożyska kulkowego leżącego na płaskim dotykowym ekranie rezystancyjnym, który zwraca natychmiastowe położenie kulek. Pozycja ta jest następnie podawana do sterownika proporcjonalno-całkująco-różniczkującego (PID), który zaprogramowaliśmy w Arduino Uno. Zrobiłem ten kod jako open source i podlinkowałem w projekcie. Zadaniem kontrolera jest przywrócenie piłki do dowolnej wybranej przez użytkownika pozycji na stole, nawet w przypadku znacznego zaniepokojenia. Konstrukcyjna platforma nośna, której będziemy używać, jest znana jako „platforma Stewarta” i jest wspierana przez sześć niezależnych korbowodów napędzanych przez serwomotory, które zapewnią do sześciu stopni swobody; Przemieszczenia w osiach X, Y i Z, przechylenie, pochylenie i odchylenie (odpowiednio obrót wokół osi X, Y i Z). Konstruowanie i programowanie tak wysoce mobilnej platformy wiąże się z własnymi wyzwaniami, więc w tym projekcie będziemy odwoływać się tylko do stopni swobody pitch and roll, pozostawiając inne jako opcjonalne ulepszenia funkcjonalności, jeśli użytkownik sobie tego życzy. Wraz z platformą przesuwającą kulkę do dowolnego zestawu statycznych pozycji zdefiniowanych przez użytkownika, zaawansowani programiści z łatwością ulepszą program i dodają mu rozmachu, zastępując naszą statyczną, zdefiniowaną przez użytkownika pozycję półciągłym śladem użytkownika zdefiniowana ścieżka, taka jak ósemka, trajektoria kołowa, twoje imię kursywą lub mój ulubiony strumień na żywo z czyjegoś rysika lub palca na własnym urządzeniu mobilnym! Miłego hackowania!

Krok 1: Zdobądź materiały

Potrzebne materiały:

1. Kilka arkuszy akrylu 1/4 "i 1/8"

2. 6 - Serwosilniki (użyliśmy serwo HS5485HB)

3. 6 - Gwintowane (regulowane) korbowody

4. 6 - Ramiona serwomechanizmu obrabiane CNC z wieloma otworami do regulacji

5. 12 - Końcówki drążków przegubowych Heim

6. 6 - Pręty (regulowane)

7. Zestaw USB 1- 17” z pięcioprzewodowym rezystancyjnym panelem dotykowym (wykrywana pozycja łożyska kulkowego)

Krok 2: Przygotuj materiały

Najlepszym sposobem na wycięcie akrylu jest użycie krzywki laserowej. Dostęp do jednego może być trudny, więc akryl można również łatwo ciąć za pomocą dowolnych narzędzi do cięcia, które znasz, odpowiednio przeszkolonych i bezpiecznie obsługiwać. Gdybym robił to na przykład w domu, użyłbym piły ręcznej. Ogólny kształt platformy Stewarta nie musi dokładnie pasować do zbudowanego przeze mnie modelu. Chciałbym jednak wskazać kilka możliwości uproszczenia. Po pierwsze, znacznie łatwiej jest odwzorować stopnie swobody nachylenia i przechyłu, używając trzech podstaw zamiast standardowych dwóch. odbywa się to poprzez uczynienie mocowania prętów łączących do rzeczywistej platformy trójkątem równobocznym. Pozwala to na pominięcie wszystkich komplikacji związanych z znajdowaniem stopni swobody nachylenia i obrotu (DOF) od podstaw, zamiast tego używamy 3 nieliniowo niezależnych „podstaw”, które są po prostu mapą tego rogu trójkąta w górę. Wypisanie współrzędnych w tej podstawie byłoby trudne dla ciebie lub dla mnie, ale współzależność tych podstaw jest łatwo obsługiwana przez kod. To upraszczające założenie jest kluczem do zaniedbania wszystkich zawiłości geometrii. Zobacz obraz grafiki MS Paint i obraz tablicy, aby uzyskać szczegółowe informacje.

Po wycięciu kawałków będziesz musiał wywiercić wszystkie otwory, w których łączą się twoje korbowody i przeguby kulowe. Uważaj, aby dopasować rozmiar otworu do właściwego używanego sprzętu. Jest to niezbędne, aby wybrane elementy złączne działały. Rozmiary otworów zależą od rozmiaru gwintownika, który będzie potrzebny do zapięcia. Aby to zrobić, należy znaleźć w Internecie odnośnik do konkretnego rozmiaru gwintownika, skoku i rodzaju gwintu (dokładny lub gwintowany). Polecam oczywiście nici do akrylu, ale jeśli musisz użyć cienkiej nici, to powinno się udać, bo tego i tak użyliśmy. Teraz czas przejść do montażu.

Krok 3: Złóż materiały

Starannie zmontuj materiały zgodnie ze specyfikacją. Zachowaj szczególną ostrożność, aby nie zdejmować żadnych śrub. Gdy to zrobisz, będziesz musiał zmienić sprzęt, zwiększając rozmiar i wiercąc większe otwory i stukając je, lub będziesz musiał wyciąć zupełnie nowy kawałek akrylu. Należy również uważać na dotykowy ekran rezystancyjny. Jest kruchy!!! W końcu to cienka warstwa szkła. Zauważ, że sami mieliśmy wypadek.

Krok 4: Programowanie

Programowanie może zająć trochę czasu. W tym miejscu Twoje umiejętności programistyczne mogą się naprawdę opłacić. Nie musisz być w stanie napisać kodu od zera, ale jeśli znajdziesz dobrze skomentowany i uporządkowany kod źródłowy do modyfikacji, to znacznie ułatwi to życie. Oto link do naszego kodu źródłowego: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, pomóż sobie! Z pewnością nie jest zoptymalizowany, ale wykonał swoją pracę! Pamiętaj, że używamy trzech oddzielnych nieortoganalnych, nieliniowo niezależnych baz dla mapy kontrolnej. Po prostu czytamy wszystko w x, y i mapujemy do A, B i C. Ta odpowiedź jest następnie dostrajana globalnie, aby dostosować, o ile mniej więcej chcemy, aby system reagował.

Krok 5: Testowanie

Tutaj testujemy stopnie swobody. Zauważ teraz, jak opłacają się nasze trzy podstawy! Na przykład, aby uzyskać rzut DOF, po prostu schodzimy o jedną jednostkę w dół w lewo, jednocześnie w górę o jedną jednostkę w prawo i odwrotnie, w przeciwnym kierunku. Ważne jest również, aby dobrze odfiltrować szumy z ekranu dotykowego. Jest to niezbędne, aby mieć dobre dane, które można wprowadzić do swojego PID.

Krok 6: Dostrój i ciesz się

Faza testowania była tak naprawdę tylko po to, aby usunąć błędy. Tutaj skupiamy się na dopracowaniu systemu sterowania. najlepiej zrobić to za pomocą wstępnie ustawionego algorytmu. Moim ulubionym jest podejście do tego jak do krytycznego problemu z tłumieniem, Ahem! Jestem fizykiem! Więc wyłączasz termin tłumienia! To znaczy wyraz pochodny, który działa jak wyraz przeciągany. Teraz piłka będzie szaleńczo oscylować! Jednak celem jest, aby oscylacje były jak najbardziej zbliżone do harmonii, a nie rosły ani nie zanikały, najlepiej jak potrafisz. Gdy to zrobisz, włączasz składnik pochodny i dostosowujesz go, aż wróci do równowagi tak szybko, jak to możliwe. To wtedy osiąga się krytyczne tłumienie. Jednakże, jeśli to nie zadziała, istnieje wiele innych sprawdzonych schematów strojenia dla systemów sterowanych PID. Znalazłem to na wikipedii, pod kontrolerem PID. Bardzo dziękuję za przyjrzenie się mojemu projektowi i proszę o kontakt w razie jakichkolwiek pytań, z przyjemnością odpowiem na wszystkie Twoje pytania. Uwaga specjalna: chcę zaznaczyć, że ten projekt od początku do końca został wykonany przez Miracle Max Guerrro, a ja w niecałe cztery tygodnie, wliczając w to czekanie przez dwa tygodnie na nowy ekran, który utknął w odprawach celnych, po naszym pierwszym złamał. Więc proszę wybacz, że daleko mu do perfekcyjnego wykonania. Miłego hackowania!