Platformă Stewart de echilibrare a mingii controlată PID: 6 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

Motivație și concept general:

Ca fizician în formare, sunt în mod natural atras și încerc să înțeleg sistemele fizice. Am fost instruit să rezolv probleme complexe descompunându-le în cele mai elementare și esențiale ingrediente, apoi construind problema înapoi de acolo. Deși am învățat mecanica și electromagnetismul din primele principii, încă nu le-am folosit în anumite aplicații fizice. În sfârșit, voi obține această oportunitate prin crearea unui robot care utilizează teoria controalelor automate pentru a echilibra autonom o minge pe o platformă plană, complet controlată, totul pe cont propriu!

În acest ghid; care este destinat hackerului, programatorului sau inginerului cu experiență tehnică, vom folosi un Arduino Uno ca platformă de microcontroler. Bucla de feedback închisă pornește mai întâi când detectează poziția unui rulment solid cu bile metalice întins pe un ecran rezistiv la atingere, care alimentează poziția imediată a bilelor. Această poziție este apoi alimentată într-un controler proporțional-integral-derivat (PID), pe care l-am programat în Arduino Uno. Am făcut acest cod open source și legat în proiect. Controlerul are sarcina de a restabili mingea în orice poziție aleasă de utilizator pe masă, chiar și atunci când este deranjat semnificativ. Platforma de susținere structurală pe care o vom folosi este cunoscută sub numele de „platformă Stewart” și este susținută de șase biele independente acționate de servo-motoare care vor oferi până la șase grade de libertate; Translații X, Y și Z, rulare, pitch și yaw (rotații despre axele X, Y și respectiv Z). Construirea și programarea unei astfel de platforme extrem de mobile prezintă propriile provocări, așa că, pentru acest proiect, vom face apel la gradul de libertate, lăsându-i pe ceilalți ca upgrade-uri opționale de funcționalitate, dacă utilizatorul dorește acest lucru. Împreună cu platforma care deplasează mingea către oricare dintre un set de poziții statice definite de utilizator, programatorilor avansați le va fi ușor să îmbunătățească programul și să adauge ceva panache prin înlocuirea poziției noastre statice definite de utilizator, cu o urmă semi-continuă a unui utilizator cale definită, cum ar fi o figură opt, o traiectorie circulară, numele tău în cursivitate sau preferatul meu un flux live de stilou sau deget cuiva pe propriul dispozitiv mobil! Hacking fericit!

Pasul 1: Obțineți materiale

Materiale necesare:

1. Câteva foi de 1/4 "și 1/8" acrilic

2. 6 - Servomotoare (am folosit servomotoare HS5485HB)

3. 6 - Biele filetate (reglabile)

4. 6 - Brațe servo mecanizate CNC cu mai multe găuri pentru ajustare

5. 12 - Capetele tijei articulare Heim

6. 6 - Tije (reglabile)

7. Panou cu ecran tactil rezistent la cinci fire de 17 , set USB (poziția de sens a rulmentului cu bile)

Pasul 2: Pregătiți materialele

Cel mai bun mod de a obține tăierea acrilică este folosind o cameră laser. Accesul la unul poate fi dificil, astfel încât acrilul poate fi de asemenea tăiat cu ușurință folosind orice instrumente de tăiere cu care sunteți familiarizați, instruiți corespunzător și puteți opera în siguranță. Dacă aș face asta acasă, de exemplu, aș folosi un ferăstrău de coping manual. Forma generală a platformei Stewart nu trebuie să se potrivească exact cu modelul pe care l-am construit. Cu toate acestea, vreau să subliniez câteva oportunități de simplificare. În primul rând, este mult mai ușor să cartografiați gradul de libertate al tonului și al rolului folosind trei baze, în locul celor două standard. acest lucru se face făcând atașarea bielelor la platforma reală un triunghi echilateral. Acest lucru vă permite să neglijați toate complicațiile de a găsi gradul de libertate al pitch și roll (DOF) de la zero, în schimb folosim 3 „baze” neliniar independente care sunt pur și simplu harta acelui colț al triunghiului care urcă. Acest lucru ar fi o provocare pentru dvs. sau pentru mine să scriem coordonate în această bază, dar interdependența acestor baze este ușor de gestionat de cod. Această presupunere simplificatoare este cheia neglijării tuturor complexităților geometriei. Vedeți imaginea grafică MS Paint și imaginea de pe tablă albă pentru detalii.

Odată ce piesele sunt tăiate, va trebui să găuriți toate găurile, acolo unde se conectează bielele și articulațiile cu bilă. Aveți grijă să potriviți dimensiunea găurii cu hardware-ul adecvat pe care îl utilizați. Acest lucru este vital pentru ca elementele de fixare alese să funcționeze. Dimensiunile găurilor se bazează pe dimensiunea de care veți avea nevoie pentru dispozitivul de fixare. Pentru a face acest lucru, găsiți o referință online pentru dimensiunea specifică a butonului, pasul și tipul de fir (fin vs curs). Recomand fire de curs pentru acril, dar dacă trebuie să folosiți fire fine, ar trebui să funcționeze, deoarece asta am folosit oricum. Acum este timpul să treceți la asamblare.

Pasul 3: Asamblați materialele

Asamblați cu atenție materialele după specificații. Aveți grijă în special să nu scoateți șuruburile. Odată ce ați făcut acest lucru, va trebui fie să schimbați hardware-ul, dimensionând și găurind găuri mai mari și atingându-le, fie va trebui să tăiați o bucată cu totul nouă de acril. Rețineți că aveți grijă și cu ecranul rezistiv la atingere. Este fragil !!! La urma urmei, este un strat subțire de sticlă. Rețineți că noi am avut un accident.

Pasul 4: Programare

Programarea poate dura ceva timp. Aici abilitățile dvs. de programare se pot bucura cu adevărat. Nu trebuie să puteți scrie codul de la zero, dar dacă puteți găsi un cod sursă bine comentat și organizat de modificat, atunci acest lucru face viața mult mai ușoară. Iată linkul către codul nostru sursă: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, ajută-te! Cu siguranță nu este optimizat, dar a făcut treaba! Amintiți-vă că folosim trei baze separate non-ortoganale, neliniar independente pentru harta controalelor. Citim pur și simplu totul în x, y și mapăm la A, B și C. Acest răspuns este apoi reglat global pentru a ajusta cât de mult sau mai puțin dorim să răspundă sistemul.

Pasul 5: Testare

Aici testăm gradele de libertate. Rețineți acum cum se plătesc cele trei baze ale noastre! De exemplu, pentru a obține rolul DOF, pur și simplu coborâm o unitate în stânga, în timp ce urcăm o unitate în dreapta și invers, pentru cealaltă direcție. De asemenea, este important să fi făcut o treabă suficient de bună filtrând zgomotul de pe ecranul dvs. tactil. Acest lucru este vital pentru a avea date bune pe care să le introduceți în PID.

Pasul 6: Reglați-vă bine și bucurați-vă

Faza de testare a fost într-adevăr doar pentru a scoate erorile. Aici ne concentrăm pe reglarea fină a sistemului de control. acest lucru se face cel mai bine cu un algoritm presetat. Preferatul meu este să-l abordez ca o problemă critică de amortizare, Ahem! Sunt fizician! Deci, opriți termenul de amortizare! Adică termenul derivat, care acționează ca un termen de tragere. Acum mingea va oscila sălbatic! Cu toate acestea, obiectivul este de a obține oscilațiile să fie cât mai aproape de armonice, să nu crească sau să se descompună, cât de bine poți. Odată ce ați terminat, porniți termenul derivat și îl ajustați până când revine la echilibru cât mai repede posibil. Acesta este momentul în care se obține amortizarea critică. Cu toate acestea, dacă acest lucru nu funcționează, există multe alte scheme de reglare bine dovedite pentru sistemele controlate de PID. Am găsit acest lucru pe Wikipedia, sub controlerul PID. Vă mulțumesc mult pentru că ați aruncat o privire asupra proiectului meu și vă rog să contactați orice întrebare, voi fi bucuros să vă răspund la orice întrebări. Notă specială: vreau să subliniez că acest proiect de la început până la sfârșit a fost realizat de Miracle Max Guerrro și de mine în doar patru săptămâni, inclusiv așteptând două săptămâni pentru un nou ecran blocat în vamă, după primul nostru rupt. Așadar, vă rog să scuzați că este departe de a fi o performanță perfectă. Hacking fericit!