PID -ohjauksen opetus Lego -roboteilla: 14 vaihetta

2025 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2025-01-23 14:44

Monet nuoret robottiharrastajat ovat kiinnostuneita edistyneemmistä ohjausaiheista, mutta he voivat olla vaikeuksissa laskennasta, jota usein tarvitaan suljetun silmukan järjestelmien analysointiin. Verkossa on upeita resursseja, jotka yksinkertaistavat "suhteellisen integroidun differentiaaliohjaimen" (PID -ohjain) rakentamista, ja yksi hieno kuvaus on täällä:

Näitä voi kuitenkin olla vaikea seurata, eivätkä ne välttämättä sovi noin 20 oppilaan luokkahuoneeseen.

Tämä vaiheittainen Instructable -opas näyttää kuinka opettaa menestyksekkäästi huone, joka on täynnä oppilaita, Lego -robottijärjestelmän avulla, useita robotteja (5–10 heistä), yhtä monta tietokoneen työasemaa, joissa on NXT 2.0, ja seitsemän jalan pituinen musta sähköteippi lattialla.

APU: Kiitos J. Sluka, joka kirjoitti yllä olevan linkin, tohtori Bruce Linnell, joka loi varhaisia Lego -laboratorioita ECPI -yliopistotasolla, ja tohtori Reza Jafari, joka tarjosi PID -ohjauksen oppimistavoitteet kartoittamalla ideoita EET220- ja Capstone -harjoitustyö.

Vaihe 1: Valmistelut laboratoriossa ennen opiskelijoiden saapumista

Kerro oppilaille kovasta työstäsi;-)

Opettajat ja avustajat ovat olleet erittäin kiireisiä valmistautuessasi tähän laboratorioon! Robotti on ladattu ja koottu tätä laboratoriota varten. Jos kokoonpanoa tarvitaan, tämä voi kestää jopa 90 minuuttia yhdellä tai useammalla robotilla. Vielä enemmän aikaa tarvitaan akkujen lataamiseen tai lataus-/purkausjaksoihin. Yksityiskohtaiset ohjeet nykyisen robotin rakentamisesta ovat NXT 2.0- tai 2.1 -koulutuspaketissa, "seuraa linjaa" -robottirakennusoppaassa. Käytämme kuitenkin monimutkaisempia ohjelmointeja … Musta sähköteippi vaalealla linoleumilla on hieno kappale. Tämä on 3 x 7 tuumaa, jossa on puolipyöreät käyrät.

Vaihe 2: Tutustu robottiin

Ensinnäkin tutustu robotin valikkoon sekä joihinkin tämän robotin osiin. Opit myös robotin käyttämästä teollisen tyylin anturitekniikasta, mukaan lukien valodiodit, valoanturit, askelmoottorit ja pyörivät asentoanturit. Muista täyttää kaikki pyydetyt tiedot (yleensä alleviivatut kohdat _).

1. Irrota robotti laturista ja/tai tietokoneen USB -portista. Käynnistä robotti oranssilla painikkeella. Oranssi, vasen ja oikea painike sekä "takaisin" harmaa suorakulmio -painike mahdollistavat valikossa liikkumisen. Siirry”Ohjelmistotiedostot” -valikkoon ja selaa robotin käytettävissä olevia ohjelmistotiedostoja. Listaa kunkin ohjelmistotiedoston nimet, tarkalleen miten se on kirjoitettu, myös isot kirjaimet ja välilyönnit:

_

Vaihe 3: Kalibroi valoanturi

2 Tarkista valoanturi ja kalibrointitiedot. Palaa päävalikkoon ja valitse Näytä. Valitse "Heijastettu valo" -vaihtoehto ja portti (sen pitäisi olla "Portti 3"), joka saa valon syttymään ja numeron näyttämään näytöllä. Varmista, että kaikki toimii, ja tallenna kalibrointitietoja.

a. Suurin lukema valkoisella paperiarkilla: Numero: _ Kuvaile likimääräinen etäisyys paperista: _

b. Suurin lukema vaalealla linoleumilattialla: _

c. Vähimmäislukema, kun osoitat mustan sähköteipin keskelle: _

Vaihe 4: Testaa moottorin kalibrointi

3 Tarkista pyörän moottorit (vasen ja oikea) sekä kalibrointitiedot. Siirry takaisin päävalikkoon ja valitse”Moottorin pyöriminen” Valitse portti (sen tulee olla joko”Portti B” tai”Portti C” molemmille moottoreille). Tarkista, voitko tarkistaa tämän lukeman kalibroinnin kääntämällä jokaista moottoria tietyn määrän kierroksia lukemaa tarkastellessasi. Teet saman kalibrointitestin molemmille moottoreille “View” - “Motor Degrees” -kalibrointinäytön avulla.

Moottori portissa B

• Pyörän pyörityskertojen määrä _
• "Moottorin pyöriminen" -näytön arvo_
• Etäisyys asteina pyörää käännettiin_
• "Moottorin asteet" -näyttöarvo_

Moottori portissa C

• Pyörän pyörityskertojen määrä _
• "Moottorin pyöriminen" -näytön arvo_
• Etäisyys asteina pyörää käännettiin_
• "Moottorin asteet" -näyttöarvo_

Vastasivatko näyttöarvot odotuksiasi? Selittäisitkö. _

Vaihe 5: Suorita mukana toimitettu On-Off-ohjain

"On-Off" (joskus kutsutaan "Bang-Bang") ohjaimessa on vain kaksi vaihtoehtoa, päälle ja pois. Se on samanlainen kuin kodin termostaatin säätö. Kun valittu lämpötila on asetettu, termostaatti lämmittää taloa, jos se on liian kylmä, ja jäähdyttää taloa, jos se on liian kuuma. kutsutaan "virheeksi". Joten voit sanoa, että jos virhe on positiivinen, kytke AC päälle, muuten kytke lämpö päälle.

Meidän tapauksessamme robotti kääntyy vasemmalle tai oikealle riippuen siitä, onko valoanturin asetuspisteessä positiivinen vai negatiivinen virhe (liikaa valkoisella lattialla tai liikaa mustalla teipillä).

Huomaat, että robottiisi saattaa olla jo ladattu useita ohjelmia (tai voit käyttää tähän liitettyä "01 line.rbt" -tiedostoa), johon on tallennettu nimiä, kuten "1 rivi" ja "2 riviä" ja siellä myös voi olla lisäkirjain ohjelman numeron jälkeen, kuten "3b -rivi". Sinun on suoritettava ohjelma, jonka nimessä on numero “1”, ja aseta robotti sitten nauharaidalle ja anturi mustalle viivalle. Yritä pysyä kaukana muista radalla olevista roboteista, jotta voit ajoittaa robotin keskeytymättä törmäämällä muihin robotteihin.

4 Mittaa seuraavat aikakokeet:

a. Aika suorittaa radan yksi suora puoli: _

b. Kuvaile robotin suoraa liikettä: _

c. Aika yhden radan käyrän suorittamiseen: _

d. Kuvaile kaarevan radan liikettä: _

e. Aika kiertää koko rata kerran: _

Vaihe 6: Avaa "01 Line" On-Off -ohjainohjelmisto

Avaat "LEGO MINDSTORMS NXT 2.0" -ohjelmiston (ei Edu 2.1 -ohjelmiston) ja lataat asianmukaisen ohjelman nimeltä "01 line.rbt" ja tutkit ja muokkaat ohjelmistoa seuraavien ohjeiden mukaisesti:

Avaa “LEGO MINDSTORMS NXT 2.0” -ohjelmisto (ei Edu 2.1 -ohjelmisto). Opettajasi kertoo, minne tiedostot on tallennettu tietokoneellesi, ja sieltä avaat "1 rivin" ohjelman. Valitse vain "Tiedosto" ja sitten "Avaa" ja valitse avattava "1 rivin" ohjelma.

Kun ohjelma on avattu, voit käyttää "käsikuvaketta" siirtääksesi ohjelman koko näytön kuvaa ja voit käyttää "nuoli" -kuvaketta napsauttamalla yksittäisiä kohteita nähdäksesi niiden toiminnan (ja myös tehdä muutoksia).

Vaihe 7: On-Off-ohjainohjelmiston "01 Line" ymmärtäminen

Ohjelma "1 rivi" käyttää "On-Off" -ohjausmenetelmää. Tässä tapauksessa vaihtoehdot ovat joko "Käänny vasemmalle" tai "Käänny oikealle". Kuva sisältää ohjelman elementtien kuvauksen:

Vaihe 8: On-Off-ohjainohjelmiston "01 Line" muokkaaminen

Muuta asetuspistettä ja vertaa tuloksia.

Löysit joitakin valomittarin todellisia arvoja vaiheessa 2 edellä. Olet tallentanut arvot osiin b ja c, numerot minimi- ja maksimiarvoihin, jotka robotti näkee radan ajaessa.

5 Laske HYVÄ asetusarvo (minimin ja maksimin keskiarvo): _

6 Valitse BAD set-pint -arvo (luku, joka on hyvin lähellä min tai max): _

Muuta asetusarvo yhdeksi näistä arvoista napsauttamalla nuolikuvaketta virheenlaskentaruutuun ja muuttamalla vähennettävää lukua (katso alla oleva kuva). Liitä nyt robotti tietokoneeseen USB -johdolla, varmista, että robotti on kytketty päälle, ja lataa robotille “1 line” -ohjelman uusi versio. Näet kuinka kauan robotti kestää kiertää radan myötäpäivään, kerran HYVÄllä asetuspisteellä ja kerran huonolla asetusarvolla.

7 Suorita aikakokeet HYVILLE ja PAHILLE asetusarvoille

a. Aika kiertää koko rata kerran (HYVÄ asetusarvo): _

b. Aika kiertää koko rata kerran (BAD Set-Point): _

Havaintojasi / johtopäätöksiäsi? _

Vaihe 9: "02-linjan" ymmärtäminen on-off Dead-Zone Controller -ohjelmistolla

Jos kotisi ilmastointi ja lämpö kytkeytyivät päälle ja pois päältä koko päivän, se voi varmasti tuhota LVI -järjestelmän (tai ainakin lyhentää sen käyttöikää). Useimmissa termostaateissa on sisäänrakennettu "kuollut alue". Jos asetuspisteesi on esimerkiksi 70 astetta Fahrenheit, termostaatti ei ehkä kytke AC: ää päälle ennen kuin se on saavuttanut 72 astetta, eikä se kytke lämmitystä päälle, ennen kuin lämpötila laskee 68 asteeseen. Jos kuollut alue tulee liian leveäksi, talosta voi tulla epämukava.

Meidän tapauksessamme käytämme 02-linjaohjelmaa kuolleen alueen lisäämiseen, jonka aikana robotti ajaa suoraan.

Tarkasta nyt ohjelmistotiedoston “02 rivi”, kuten kuvassa ja liitteenä olevassa tiedostossa.

Tämä ohjelmistotiedosto ohjelmoi robotin seuraamaan linjaa käyttämällä On-Off-ohjausta differentiaalivälillä. Tämä tunnetaan myös nimellä Deadband ja se tarkoittaa, että robotti kääntyy vasemmalle tai oikealle virheestä riippuen, mutta jos virhe on pieni, robotti menee vain suoraan.

Ohjelma “02 -rivi” laskee edellä mainitun ensin vähentämällä asetuspisteen valonmittauksesta ja suorittamalla sitten vertailut yllä kuvatulla tavalla. Tarkista ohjelma tietokoneella ja tallenna näkemäsi arvot.

Mikä on "2 rivin" ohjelmien nykyinen (alkuperäinen) asetusarvo? _

Mikä on "2 rivin" ohjelmien nykyinen (alkuperäinen) arvo "Suuri" positiivinen virhe? _

Mikä on "2 rivin" ohjelmien nykyinen (alkuperäinen) arvo "Suuri" negatiivinen virhe? _

Mikä Dead-Band-virhealue saa robotin siirtymään suoraan? ALKO _ - _

Suorita kolme (3) aikakokeita eri arvoilla yllä olevalle "Suuri" -virheelle. Nykyiset 2 -riviset asetukset sekä kaksi muuta laskettavaa asetusta. Olet jo valinnut robotillesi hyvän asetusarvon. Nyt voit valita kaksi eri Dead-Band-aluetta ja tallentaa ajan, jonka robotti tekee yhden myötäpäivän kierroksen tekemiseen:

Alkuperäiset asetukset 02 -riville _

Kuollut kaista +4 --4 _

Kuollut kaista +12 --12 _

Vaihe 10: "03 -rivin" suhteellisen ohjainohjelmiston ymmärtäminen

Suhteellisella säätöllä emme vain kytke lämpöä päälle tai pois, vaan meillä voi olla useita asetuksia uunin lämmittämiseksi (kuten liekkien koko liesi). Robotin tapauksessa meillä ei ole vain kolme moottoriasetusta (vasen, oikea ja suora). Sen sijaan voimme hallita vasemman ja oikean pyörän nopeutta saadaksemme laajan valikoiman kääntymisnopeuksia. Mitä suurempi virhe, sitä nopeammin haluamme palata linjalle.

Katsotaanpa suhteellista valvontaa ohjelmalla "03 rivi"

Ohjelma "03-linjalle" on monimutkaisempi, koska se ei ainoastaan aseta "suhteellista" ohjausmenetelmää, vaan sisältää myös kaikki ohjelmistot, joilla voidaan suorittaa suhteellinen-integroitu, suhteellinen-differentiaali- ja suhteellinen-integroitu-differentiaali (PID) -ohjaus. Kun lataat ohjelmiston, se on todennäköisesti liian suuri, jotta se mahtuu näytölle kerralla, mutta siinä on todella kolme osaa, kuten liitteenä olevassa kuvassa näkyy.

A - Matematiikka virheen laskemiseksi ja "laskelma" virheen integraalin ja derivaatan löytämiseksi ajan mittaan.

B - Matematiikka vasemman moottorin nopeuden laskemiseksi Pp -säätöasetusten Kp, Ki ja Kd perusteella

C - Matematiikka moottorin nopeusrajoitusten testaamiseksi ja oikeiden moottorin nopeuksien lähettämiseksi vasemmalle ja oikealle moottorille.

Kaikilla kolmella on oma ääretön silmukka (alustuksen jälkeen), ja voit selata niitä käyttämällä "käsi" -kuvaketta, mutta vaihda takaisin "nuoli" -kuvakkeeseen tarkastellaksesi laatikon sisältöä ja muuttaaksesi asetuksia.

Vaihe 11: 03 -rivin (suhteellinen ohjaus) -ohjelman muokkaaminen

Keskimmäisessä osassa (edellisen kuvauksen osa B) huomaat, että “03 -rivi” -ohjelmassa sekä Ki- että Kd -asetukset ovat 0.

Jätetään heidät niin. Muutamme vain säätimen suhteellisen osan Kp arvoa.

Kp päättää, kuinka sujuvasti robotti muuttaa nopeutta ajaessaan pois linjalta. Jos Kp on liian suuri, liike on erittäin nykivää (samanlainen kuin On-Off-ohjain). Jos Kp on liian pieni, robotti tekee korjauksia liian hitaasti ja ajautuu kauas linjasta, varsinkin kaarteissa. Se voi jopa ajautua niin pitkälle, että menettää linjan kokonaan!

13 Mitä asetusarvoa ohjelma "03 line" käyttää? (vähennetään A -silmukan valovirran lukemisen jälkeen) _

14 Mikä on Kp: n arvo nykyisessä “03 line” -ohjelmassa? _

Aikakokeet suhteelliselle ohjaimelle (ohjelma "3 riviä")

Käytät robottisi muistiin tallennettuja "03 line" -ohjelman alkuperäisiä asetuksia aikakokeeseen ja käytät myös kahta muuta "03 line" -ohjelman muutosta yhteensä kolmen aikakokemittauksen yhteydessä. Tehdyt muutokset sisältävät

DRIFTY - Kp -arvon löytäminen, joka saa robotin ajautumaan hyvin hitaasti ja mahdollisesti kadottamaan linjan (mutta toivottavasti ei). Kokeile Kp: n eri arvoja välillä 0,5 - 2,5 (tai muuta arvoa), kunnes saat arvon, jossa robotti ajautuu, mutta pysyy linjalla.

JERKY - Kp -arvon löytäminen, joka saa robotin nykimään edestakaisin, hyvin samankaltaisesti On -Off -liikkeen kanssa. Kokeile Kp -arvoa välillä 1,5 - 3,5 (tai muuta arvoa), kunnes saat arvon, jossa robotti alkaa vain näyttää edestakaisin liikettä, mutta ei liian dramaattisesti. Tämä tunnetaan myös nimellä "kriittinen" arvo Kp.

Aikakokeita koko myötäpäivään tapahtuvalle kierrokselle radan ympäri tarvitaan vain alkuperäisten "3 -viiva" -arvojen ja kahden uuden arvosarjan (DRIFTY ja JERKY) avulla, jotka huomaat antamalla robotin seuraamaan vain lyhyttä rataa. Älä unohda ladata muutoksia robottiisi joka kerta!

15 Tallenna suhteelliset ohjausarvot ja aikakokeet ohjelmalle “3 riviä” (muista ladata muutokset robottiin!) Kullekin näistä kolmesta Kp -arvosta (alkuperäinen 03 -riviarvo ja kaksi kokeiluvaiheessa määritettyä arvoa) olla DRIFTY ja JERKY).

Vaihe 12: Kehittyneet PID -säätimet

Ennen kuin aloitat tämän vaiheen, muista suorittaa edelliset vaiheet ja tallentaa kaikki pyydetyt tiedot kyseisellä robotilla, jota aiot käyttää tässä laboratoriossa. Jokainen robotti on hieman erilainen mekaanisten näkökohtien, moottorinäkökohtien ja erityisesti valotunnistustulosten suhteen radalla.

Numerot, joita tarvitset aiemmista kokeista

16 Suurin valoanturin lukema (vaiheesta 2) _

17 Valoanturin vähimmäislukema (vaiheesta 5) _

18 HYVÄ asetuspisteen asetus (edellä mainitun keskiarvo) _

19 DRIFTY -asetus Kp: lle (vaiheesta 15) _

20 JERKY (kriittinen) asetus Kp: lle (vaiheesta 15) _

PID -säätimen ymmärtäminen

Olet ehkä oppinut PID (Proportional Integral Differential) -ohjaimesta osana Industrial Controls -kurssia, ja hyvä nopea yleiskatsaus on verkossa Wikipediassa (https://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller).

Tässä kokeessa mitattu arvo on lattiasta heijastuneen valon määrä. Asetusarvo on haluttu valomäärä, kun robotti on suoraan mustan nauhan reunan yläpuolella. Virhe on nykyisen valolukeman ja asetusarvon ero.

Proportionaalisäätimellä vasemman moottorin nopeus oli verrannollinen virheeseen. Erityisesti:

Virhe = valolukema-asetusarvo

Tässä kuvassa ohjearvoksi asetettiin 50.

Myöhemmin vasemman moottorin nopeuden löytämiseksi kertomme virheen suhteellisuusvakioilla "Kp" erityisesti:

L Moottori = (Kp * Virhe) + 35

Tässä kuvassa Kp on asetettu arvoon 1.5 ja 35: n lisääminen tapahtuu ohjelman toisessa osassa. Arvo 35 lisätään muuntamaan luku, joka on välillä -40 -+40, lukuun, joka on jossain välillä 10 ja 60 (kohtuulliset moottorin nopeudet).

Integraali on eräänlainen muisto menneisyydestä. Jos virhe on ollut huono pitkään, robotin on nopeutettava kohti asetusarvoa. Ki: tä käytetään kertomaan integraalilla (integraali on virheiden juokseva summa - tässä tapauksessa sitä vähennetään 1,5 jokaisella iteroinnilla, joten robotilla on "häipyvä muisti" aiemmista virheistä).

Johdannainen on eräänlainen tulevaisuuden ennuste. Ennustamme tulevaa virhettä vertaamalla viimeistä virhettä nykyiseen virheeseen ja oletamme, että virheen muutosaste on jonkin verran lineaarinen. Mitä suurempi tuleva virhe on, sitä nopeammin meidän on siirryttävä asetuspisteeseen. Kd: tä käytetään kertomaan johdannaisella (johdannainen on nykyisen virheen ja edellisen virheen välinen ero).

L Moottori = (Kp * Error) + (Ki * Integral) + (Kd * Derivative) + 35

Vaihe 13: Parhaiden PID -parametrien löytäminen

On olemassa useita tapoja, joilla voidaan löytää PID -parametrit, mutta tilanteellamme on ainutlaatuisia piirteitä, joiden avulla voimme käyttää "manuaalisempaa" kokeellista tapaa löytää parametrit. Ainutlaatuisia piirteitämme ovat:

• Kokeilijat (te) ymmärtävät hyvin koneen toiminnan
• Ei ole henkilövahinkojen vaaraa, jos ohjain tulee hulluksi, eikä myöskään vaaraa vahingoittaa robottia huonojen ohjainasetusten vuoksi
• Valoanturi on niin huolimaton tunnistuslaite, ja valotunnistinta on vain yksi, joten voimme vain toivoa saavamme marginaalisen hyvän lopputuloksen. Siksi "paras yritys" sopii kokeiluihimme

Ensinnäkin käytimme jo”03-viivaa” parhaan Kp: n valitsemiseksi (HYVÄ asetuspiste ja JERKY Kp -arvot edellä vaiheet 18 ja 20). Katso ensimmäisestä kuvasta ohjeet siitä, miten löysimme Kp: n JERKY -arvon.

Käytä ohjelmistoa “04 line” Ki: n määrittämiseen. Muokkaamme ensin”4 riviä” saadaksemme yllä oleviin kohteisiin 18 ja 20 tallennetut arvot. Seuraavaksi lisäämme hitaasti Ki-arvoa, kunnes saamme arvon, joka todella siirtää meidät asetuspisteeseen hyvin nopeasti. Katso toisesta kuvasta ohjeet Ki-arvon valitsemiseksi.

21 NOPEIN Ki-arvo, joka asettuu asetuspisteeseen nopeimmin (jopa jonkin verran ylittymisen jälkeen) _

Käytä ohjelmistoa “05 line” Kd: n määrittämiseen. Muokkaa ensin”5 riviä” vaiheiden 18, 20 ja 21 arvoilla ja lisää sitten Kd-arvoa, kunnes saat lopullisen toimivan robotin, joka saavuttaa asetusarvon nopeasti ja hyvin vähän ylitystä. Kolmas kuva näyttää ohjeet Kd: n valitsemiseksi.

22 KD: n OPTIMAALINEN arvo _

23 KUINKA KAIKKI ROBOTISI KYTKÄÄ RAITAN KIERROSTA NYT ??? _

Vaihe 14: Johtopäätös

Laboratoriokokeilu meni erittäin hyvin. Noin 20 opiskelijaa käytti ensimmäisessä kuvassa esitettyjä 10 (kymmenen) työasemaa + robotti -asetuksia, joten resursseja ei koskaan ollut. Enintään kolme robottia kierteli radalla kerrallaan aikakokeita varten.

Suosittelen katkaisemaan PID -ohjausosan (vähintään ohjelmat "04 rivi" ja "05 rivi") erilliseksi päiväksi käsitteiden vuoksi.

Tässä on sarja videoita, jotka osoittavat säätimien etenemisen ("01 rivi" - "05 rivi") käyttämällä valitsemiani arvoja - mutta jokainen oppilas keksi hieman erilaisia arvoja, mikä on odotettavissa!

MUISTA: Yksi tärkeimmistä syistä erittäin hyvin valmistautuneille robottijoukkueille huonosti kilpailutapahtumissa on se, että he eivät suorita kalibrointia tapahtuman tarkassa paikassa. Valaistus ja anturien heilahtelusta johtuvat pienet asennonmuutokset voivat vaikuttaa suuresti parametriarvoihin!

• 01 -linja (päälle/pois) PID -ohjaus Lego -roboteilla -
• 02-linja (päälle-pois kuolleella vyöhykkeellä) PID-ohjaus Lego-roboteilla-https://videos.ecpi.net/Watch/n4A5Lor7
• 03 -linjainen (suhteellinen) PID -ohjaus Lego -roboteilla -
• 04 -rivi (suhteellinen -integroitu) PID -säätö Lego -roboteilla -
• 05-linja (Proportional-Integral-Derivative) PID-ohjaus Lego-robottien kanssa-https://videos.ecpi.net/Watch/s6LRi5r7