PID -ohjattu pallon tasapainotus Stewart -alusta: 6 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Motivaatio ja kokonaiskonsepti:

Koulutuksen fyysikkona olen luonnollisesti kiinnostunut fyysisistä järjestelmistä ja pyrin ymmärtämään niitä. Minut on koulutettu ratkaisemaan monimutkaisia ongelmia jakamalla ne alkeellisimpiin ja välttämättömimpiin ainesosiin ja rakentamalla sitten ongelman takaisin sieltä. Vaikka olen oppinut mekaniikkaa ja sähkömagnetismia ensimmäisistä periaatteista, en ole vielä käyttänyt niitä joissain fyysisissä sovelluksissa. Saan vihdoin tämän tilaisuuden luomalla robotin, joka käyttää automaattisen ohjauksen teoriaa tasapainottaakseen pallon itsenäisesti tasaisella, täysin hallitulla alustalla, kaikki yksinään!

Tässä ohjeessa; joka on tarkoitettu teknisesti taitaville hakkereille, ohjelmoijille tai insinööreille, käytämme Arduino Unoa mikrokontrollerialustana. Suljettu takaisinkytkentäsilmukka alkaa ensin, kun se tunnistaa kiinteän metallisen kuulalaakerin asennon, joka sijaitsee tasaisella kosketusnäytöllä, joka syöttää pallon välittömästi takaisin. Tämä asema syötetään sitten PID-säätimeen, jonka olemme ohjelmoineet Arduino Unoon. Olen tehnyt tästä koodista avoimen lähdekoodin ja linkittänyt projektin. Ohjaimen tehtävänä on palauttaa pallo mihin tahansa käyttäjän valitsemaan pöydän asentoon, vaikka se häiritsisi merkittävästi. Käyttämämme rakenteellinen tukialusta tunnetaan nimellä "Stewart -alusta", ja sitä tukevat kuusi itsenäistä kiertokankea, joita ohjaavat servomoottorit, jotka tarjoavat jopa kuusi vapausastetta; X-, Y- ja Z -käännökset, rulla, nousu ja kääntyminen (kierteet X-, Y- ja Z -akselien ympäri). Tällaisen erittäin liikkuvan alustan rakentaminen ja ohjelmointi tuo omat haasteensa, joten tässä hankkeessa me turvaudumme vain vapausasteisiin ja jättämisasteisiin, jättäen muut toiminnallisuuden valinnaisiksi päivityksiksi, jos käyttäjä niin haluaa. Sen lisäksi, että alusta siirtää pallon mihin tahansa staattisen käyttäjän määrittelemään asentoon, kokeneiden ohjelmoijien on helppo parantaa ohjelmaa ja lisätä parannuskeinoa korvaamalla staattinen, käyttäjän määrittämä asento, jossa on osittain jatkuva jälki käyttäjästä määritetty polku, kuten kuva kahdeksan, pyöreä liikerata, nimesi kursiivilla tai suosikkini jonkun kynän tai sormen suoratoisto omalla mobiililaitteella! Hyvää hakkerointia!

Vaihe 1: Hanki materiaaleja

Tarvittavat materiaalit:

1. Muutama arkki 1/4 "ja 1/8" akryylia

2. 6 - Servomoottorit (käytimme HS5485HB Servoja)

3. 6 - Kierteiset (säädettävät) kiertokanget

4. 6 - CNC -koneistetut servovarret, joissa on useita reikiä säädettävyyttä varten

5. 12 - Heimin nivelvarren päät

6. 6 - Vavat (säädettävät)

7. 1–17”viiden langan vastustuskykyinen kosketusnäyttöpaneeli USB-sarja (kuulalaakerin asento)

Vaihe 2: Valmistele materiaalit

Paras tapa saada akryylileikkaus on käyttää laser -nokkaa. Siihen pääsy voi olla vaikeaa, joten akryyli voidaan myös leikata helposti käyttämällä mitä tahansa tuttuja leikkaustyökaluja, asianmukaisesti koulutettuja ja käyttää turvallisesti. Jos tekisin tämän esimerkiksi kotona, käyttäisin käsikäyttöistä sahaa. Stewart -alustan yleisen muodon ei tarvitse vastata tarkalleen rakentamaani mallia. Haluan kuitenkin mainita muutamia yksinkertaistavia mahdollisuuksia. Ensinnäkin on paljon helpompaa kartoittaa äänenkorkeuden ja rullan vapausasteet käyttämällä kolmea perustaa kahden standardin sijaan. tämä tehdään tekemällä kiertokankojen kiinnitys varsinaiseen tasoon tasasivuiseksi kolmioksi. Tämän avulla voit jättää huomiotta kaikki vaikeudet, jotka liittyvät vapauden nousu- ja rullausasteiden (DOF) löytämiseen tyhjästä. Sen sijaan käytämme kolmea epälineaarisesti riippumatonta "perustaa", jotka ovat yksinkertaisesti sen kolmion kulman kartta, joka nousee. Tämä olisi haastavaa sinulle tai minulle kirjoittaa koordinaatit tällä perusteella, mutta näiden perusteiden keskinäinen riippuvuus on helppo käsitellä koodilla. Tämä yksinkertaistava olettamus on avain siihen, että laiminlyödään kaikki geometrian monimutkaisuudet. Katso lisätietoja MS Paint -grafiikasta ja valkotaulusta.

Kun palaset on leikattu, sinun on porattava kaikki reiät, joihin yhdystangot ja kuulanivelet yhdistyvät. Varmista, että aukon koko vastaa käyttämääsi laitteistoa. Tämä on tärkeää, jotta valitsemasi kiinnikkeet toimivat. Reikien koot perustuvat siihen, minkä kokoista hanaa tarvitset kiinnikkeellesi. Voit tehdä tämän etsimällä online -viitteen tietylle hanan koolle, nousulle ja kierteelle (hieno vs kurssi). Suosittelen kurssikierteitä akryylille, mutta jos sinun on käytettävä hienoa lankaa, sen pitäisi toimia, koska sitä käytimme joka tapauksessa. Nyt on aika siirtyä kokoonpanoon.

Vaihe 3: Kokoa materiaalit

Kokoa materiaalit huolellisesti teknisten tietojen mukaan. Ole erityisen varovainen, ettet irrota ruuveja. Kun tämä on tehty, sinun on joko vaihdettava laitteistoa mitoittamalla ja poraamalla suurempia reikiä ja napauttamalla niitä, tai sinun on leikattava kokonaan uusi pala akryylia. Ole myös varovainen kosketusnäytön kanssa. Se on hauras !!! Se on loppujen lopuksi ohut lasikerros. Huomaa, että olimme itse onnettomuudessa.

Vaihe 4: Ohjelmointi

Ohjelmointi voi kestää jonkin aikaa. Tässä ohjelmointitaitosi voivat todella maksaa. Sinun ei tarvitse pystyä kirjoittamaan koodia tyhjästä, mutta jos löydät hyvin kommentoidun ja organisoidun lähdekoodin muokattavaksi, se tekee elämästä paljon helpompaa. Tässä on linkki lähdekoodiin: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, auta itseäsi! Sitä ei tietenkään ole optimoitu, mutta työ on tehty! Muista, että käytämme kolmea erillistä ei-ortogonaalista, epälineaarisesti riippumatonta perustaa kontrollikartalle. Luemme yksinkertaisesti kaiken x: ssä, y: ssä ja kartoitamme A: ksi, B: ksi ja C: ksi. Tämä vastaus viritetään sitten maailmanlaajuisesti säätämään, kuinka paljon enemmän tai vähemmän haluamme järjestelmän vastaavan.

Vaihe 5: Testaus

Täällä testataan vapauden asteita. Huomaa nyt, kuinka meidän kolme perusta maksaa! Esimerkiksi saadaksemme rullan DOF, me yksinkertaisesti menemme alas yhden yksikön vasemmalle, nousemme yhden yksikön ylös oikealle ja päinvastoin toiseen suuntaan. On myös tärkeää, että olet suorittanut riittävän hyvää työtä melun suodattamiseen kosketusnäytöltäsi. Tämä on elintärkeää hyvän datan saamiseksi PID -laitteeseesi.

Vaihe 6: Hienosäädä ja nauti

Testausvaihe oli oikeastaan vain vikojen poistamiseksi. Tässä keskitymme ohjausjärjestelmän hienosäätöön. tämä onnistuu parhaiten esiasetetulla algoritmilla. Suosikkini on lähestyä sitä kriittisenä vaimennusongelmana, Ahem! Olen fyysikko! Joten kytke vaimennus pois päältä! Eli johdannaistermi, joka toimii kuin vetävä termi. Nyt pallo värähtelee villisti! Tavoitteena on kuitenkin saada värähtelyt mahdollisimman lähelle harmonista, eivät kasvaa tai rappeutua parhaalla mahdollisella tavalla. Kun tämä on tehty, otat johdannaistermin käyttöön ja säädät, kunnes se palautuu tasapainoon mahdollisimman nopeasti. Tällöin saavutetaan kriittinen vaimennus. Jos tämä ei kuitenkaan toimi, PID -ohjattuja järjestelmiä varten on monia muita hyvin osoittautuneita viritysmalleja. Löysin tämän wikipediasta, PID -säätimen alta. Kiitos, että katsoit projektiani, ja ota yhteyttä, jos sinulla on kysyttävää, vastaan mielelläni kaikkiin kysymyksiisi. Erityinen huomautus: Haluan huomauttaa, että Miracle Max Guerrro ja minä teimme tämän projektin alusta loppuun ja minä alle neljässä viikossa, mukaan lukien odotimme kaksi viikkoa uutta näyttöä, joka oli jumissa tullissa, ensimmäisen näyttömme jälkeen mursi. Joten anteeksi, se on kaukana täydellisestä suorituskyvystä. Hyvää hakkerointia!