Платформа Стюарта для балансировки шаров с ПИД-управлением: 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Мотивация и общая концепция:

Как физик, проходящий обучение, меня естественно привлекают и стремятся понять физические системы. Меня научили решать сложные проблемы, разбивая их на самые основные и важные составляющие, а затем создавая проблему на их основе. Хотя я изучал механику и электромагнетизм из первых принципов, мне еще предстоит использовать их в каких-то физических приложениях. Я наконец-то получу эту возможность, создав робота, который использует теорию автоматического управления для автономного балансирования мяча на плоской, полностью контролируемой платформе, и все это само по себе!

В этом практическом руководстве; который предназначен для технически подкованного хакера, программиста или инженера, мы будем использовать Arduino Uno в качестве нашей микроконтроллерной платформы. Замкнутый контур обратной связи сначала запускается, когда он определяет положение твердого металлического шарикоподшипника, лежащего на плоском сенсорном резистивном экране, который возвращает шарики в немедленное положение. Это положение затем передается в контроллер пропорционально-интегрально-производной (ПИД), который мы запрограммировали в Arduino Uno. Я сделал этот код открытым и связал его в проекте. Контроллеру поручено вернуть мяч в любое выбранное пользователем положение на столе, даже если он сильно взволнован. Структурная поддерживающая платформа, которую мы будем использовать, известна как «платформа Стюарта» и поддерживается шестью независимыми шатунами, приводимыми в движение серводвигателями, которые обеспечивают до шести степеней свободы; Переносы по осям X, Y и Z, крен, тангаж и рыскание (вращения вокруг осей X, Y и Z соответственно). Создание и программирование такой высокомобильной платформы сопряжено с определенными трудностями, поэтому в этом проекте мы будем использовать только степени свободы наклона и поворота, оставив остальные в качестве дополнительных обновлений функциональности, если пользователь того пожелает. Наряду с платформой, перемещающей мяч в любое из набора статических определенных пользователем положений, опытные программисты найдут легким усовершенствовать программу и добавить немного размаха, заменив нашу статическую, определяемую пользователем позицию полунепрерывным отслеживанием пользователя. определенный путь, например, восьмерка, круговая траектория, ваше имя, написанное курсивом, или, что мне больше всего нравится, прямая трансляция чьего-либо стилуса или пальца на собственном мобильном устройстве! Удачного взлома!

Шаг 1. Получите материалы

Необходимые материалы:

1. Несколько листов акрила толщиной 1/4 и 1/8 дюйма.

2. 6 - Серводвигатели (мы использовали сервопривод HS5485HB)

3. 6 - Резьбовые (регулируемые) шатуны

4. 6 - Сервомеханизм, обработанный на станке с ЧПУ, с множеством отверстий для регулировки

5. 12 - Концы шарнирных стержней Heim

6. 6 - стержни (регулируемые)

7. Комплект USB для пятипроводной резистивной сенсорной панели с диагональю 1–17 дюймов (определение положения шарикового подшипника)

Шаг 2: Подготовьте материалы

Лучше всего вырезать акрил с помощью лазерного кулачка. Доступ к одному из них может быть затруднен, поэтому акрил также можно легко разрезать с помощью любых режущих инструментов, с которыми вы знакомы, должным образом обучены и можете безопасно работать. Если бы я делал это, например, дома, я бы использовал ручную пилу. Общая форма платформы Стюарта не обязательно должна точно соответствовать модели, которую я построил. Однако я хочу указать на несколько упрощающих возможностей. Во-первых, гораздо проще отобразить степени свободы по тангажу и крену, используя три базиса вместо стандартных двух. это делается путем прикрепления шатунов к реальной платформе в виде равностороннего треугольника. Это позволяет пренебречь всеми сложностями нахождения степеней свободы (DOF) по тангажу и крену с нуля, вместо этого мы используем 3 нелинейно независимых «основы», которые представляют собой просто карту этого угла треугольника, идущего вверх. Вам или мне было бы сложно записать координаты в этом базисе, но взаимозависимость этих базисов легко обрабатывается кодом. Это упрощающее предположение является ключом к пренебрежению всеми тонкостями геометрии. См. Рисунок графика MS Paint и рисунок доски для получения подробной информации.

После того, как части будут разрезаны, вам нужно будет просверлить все отверстия, в которых соединяются ваши шатуны и шаровые шарниры. Следите за тем, чтобы размер отверстия соответствовал размерам используемого оборудования. Это жизненно важно, чтобы выбранный вами крепеж работал. Размеры отверстий зависят от размера метчика, который вам понадобится для застежки. Для этого найдите в Интернете справочник по конкретному размеру метчика, шагу и типу резьбы (мелкий или ровный). Я рекомендую обычные нитки для акрила, но если вы должны использовать тонкую нить, это должно сработать, так как мы все равно использовали эту нить. Теперь пора переходить к сборке.

Шаг 3: Соберите материалы

Тщательно соберите материалы в соответствии со спецификациями. Будьте особенно осторожны, чтобы не сорвать винты. Как только это будет сделано, вам нужно будет либо сменить оборудование, определив размер и просверлив большие отверстия и постучав по ним, либо вам нужно будет вырезать совершенно новый кусок акрила. Обратите внимание, что также будьте осторожны с сенсорным резистивным экраном. Он хрупкий !!! В конце концов, это тонкий слой стекла. Обратите внимание, что мы сами попали в аварию.

Шаг 4: программирование

Программирование может занять некоторое время. Вот где действительно могут окупиться ваши навыки программирования. Вам не нужно уметь писать код с нуля, но если вы можете найти хорошо прокомментированный и организованный исходный код для изменения, это значительно облегчит жизнь. Вот ссылка на наш исходный код: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, угощайтесь! Он, конечно, не оптимизирован, но свою работу сделал! Помните, что мы используем три отдельных неортогональных, нелинейно независимых базиса для карты элементов управления. Мы просто читаем все по x, y и сопоставляем с A, B и C. Этот ответ затем настраивается глобально, чтобы настроить, насколько более или менее мы хотим, чтобы система реагировала.

Шаг 5: Тестирование

Здесь мы проверяем степени свободы. Обратите внимание, как окупаются наши три основы! Например, чтобы получить глубину резкости крена, мы просто спускаемся на одну единицу слева, поднимаемся на одну единицу справа, и наоборот, в другом направлении. Также важно хорошо отфильтровать шум на сенсорном экране. Это жизненно важно для того, чтобы иметь хорошие данные для ввода в ваш PID.

Шаг 6: Настройте и наслаждайтесь

На самом деле фаза тестирования заключалась только в том, чтобы избавиться от ошибок. Здесь мы сосредоточимся на точной настройке системы управления. лучше всего это делается с помощью заранее заданного алгоритма. Я предпочитаю подходить к этому как к критической проблеме демпфирования, кхм! Я физик! Так вы отключите демпфирующий член! Т.е. производный член, который действует как член сопротивления. Теперь мяч будет бешено раскачиваться! Однако цель состоит в том, чтобы колебания были как можно ближе к гармоническим, а не нарастали и не затухали, насколько это возможно. Как только это будет сделано, вы включаете член производной и корректируете, пока он не вернется в состояние равновесия как можно быстрее. Это когда достигается критическое демпфирование. Однако, если это не сработает, существует множество других хорошо зарекомендовавших себя схем настройки для систем с ПИД-управлением. Я нашел это в Википедии, в разделе «ПИД-регулятор». Большое спасибо за то, что взглянули на мой проект, и, пожалуйста, обращайтесь с любыми вопросами, я буду рад ответить на любые ваши вопросы. Специальное примечание: я хочу отметить, что этот проект от начала до конца был выполнен Miracle Max Guerrro и мной чуть менее чем за четыре недели, включая ожидание в течение двух недель нового экрана, который застрял на таможне, после нашего первого. сломанный. Так что извините, это далеко не идеальная производительность. Удачного взлома!