Балансировщик мячей и скрипач PID: 7 шагов (с изображениями)

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2025-01-23 15:05

Этот проект предназначен для людей, имеющих опыт использования Arduino. Предварительные знания об использовании сервоприводов, OLED-дисплеев, кастрюль, кнопок, пайки будут полезны. В этом проекте используются детали, напечатанные на 3D-принтере.

Ball Balancer - это испытательный стенд для ПИД-регулирования для экспериментов с настройкой ПИД-регулятора. PID Fiddler - это пульт дистанционного управления для настройки ПИД-регулятора.

ПИД-регулятор используется, когда вам нужно больше контролировать движение. Хороший пример - балансировочный робот. Роботу необходимо вносить небольшие изменения, чтобы поддерживать баланс, и быстро реагировать, чтобы поймать себя, если он наткнется на неровность или толчок. ПИД-регулятор может использоваться для настройки отклика колесных двигателей для поддержания баланса.

PID требует обратной связи от датчика. Балансировочный робот использует гироскопы и акселерометры для измерения абсолютного угла робота. Выходной сигнал датчика используется ПИД-регулятором для управления двигателями для поддержания баланса.

Так зачем же я сделал скучный балансир? Конечно, это круто, но балансирующие роботы опрокидываются, когда они неправильно настроены. Балансировочные роботы - не лучшее устройство для экспериментов с настройкой ПИД-регулятора. Балансировщик шара намного более стабилен и является хорошим визуальным инструментом для просмотра эффектов настройки ПИД-регулятора. Знания, полученные при настройке балансировочного станка, можно применить для настройки балансировочного робота.

Балансир Ball Balancer - это опора на опорной точке. На рельсе находится шар, который движется вперед и назад по рельсу при опрокидывании рельса. На рейке установлен сервопривод. На конце рельса находится датчик, который измеряет расстояние от шарика до датчика. Входными данными для ПИД-регулятора является расстояние от шара до датчика, а на выходе ПИД-регулятора - сервопривод, который наклоняет направляющую и перемещает мяч.

Я использую библиотеку Arduino PID.

PID Fiddler - это то, что я использую для настройки значений PID. Он вам не нужен, но он помогает. PID Fiddler удален от Ball Balancer, он подключается только двумя проводами, и его можно подключать и отключать во время работы Ball Balancer. Как только вы найдете лучшие значения, их можно жестко закодировать в эскизе вашего проекта.

Дополнительные усилия по созданию PID Fiddler окупаются со временем, необходимым для внесения изменений в настройку PID. Вы можете быстро увидеть результаты ваших изменений. И его можно будет повторно использовать в будущих проектах, использующих PID. Не говоря уже о том, что его весело строить, и он классно выглядит!

Шаг 1: Балансир - Детали

Детали, напечатанные на 3D-принтере, можно найти здесь:

(Инструкции по сборке находятся в инструкциях по послепечатной печати по ссылке выше)

Алюминиевый уголок 1-1 дюйм x 1/8 дюйма, отрезанный до длины 500 мм.

1 - Датчик времени полета Adafruit VL53L0X:

1 - сервопривод Hobby с рупором

1 - Жесткий трос для соединения (около 7 мм)

- Разное. Крепежные винты

1- Arduino Uno

2 - светодиоды (красный, зеленый)

3 - резисторы 330 Ом

- Разное. Перемычки и макетная плата

- Плоская черная аэрозольная краска

1 - Белый мяч для пинг-понга

Шаг 2: Балансир - сборка

Инструкцию по сборке балансира мячей можно найти здесь:

Несколько дополнительных советов:

Распылите краску на внутреннюю поверхность направляющей в черный цвет, чтобы уменьшить погрешность датчика.

Связь (показано на рисунке выше):

- Используйте жесткий провод длиной около 7 мм для связи между звуковым сигналом сервоуправления и кронштейном датчика.

- Выровняйте направляющую, поместите управляющий рог горизонтально в среднюю точку движения сервопривода (значение сервопривода 90).

- Согните небольшую петлю в верхней части проволоки и z-образный изгиб в нижней части проволоки.

- Вставьте конец z в рупор, отметьте точку в центре петли на кронштейне датчика.

- Просверлите небольшое отверстие и с помощью небольшого винта прикрепите провод к кронштейну датчика.

Шаг 3: Схема подключения балансира шара и эскиз Arduino

См. Схему подключения на рисунке выше.

Используйте отдельный источник питания для сервопривода. Это может быть настольный блок питания или аккумулятор. Я использую настольный блок питания на 5 В.

PID Fiddler будет подключен двумя проводами: один к контакту 1 (последовательный RX), а второй - к земле.

Эскиз предоставляется.

Примечания к эскизу: значение уставки будет изменяться с 200 мм до 300 мм каждые 15 секунд. Полезно использовать Serial Monitor в Arduino IDE, чтобы увидеть выходной сигнал датчика.

Шаг 4. PID Fiddler 2 - Детали

Напечатанный на 3D-принтере щит и ручки можно найти здесь:

4-10 кОм кастрюли

1- Кнопки мгновенного контакта:

1- Монохромный графический дисплей Adafruit 128x32 I2C OLED:

1- Arduino Uno

- разное. заголовок ping (0,1 дюйма), клеммные колодки, соединительный провод

Шаг 5: Pid Fiddler 2 - Подключение, сборка и эскиз Arduino

Используйте схему подключения для подключения экрана.

Советы по сборке:

- Советы по изготовлению нестандартных печатных плат см. В моих инструкциях:

- Заголовки суперклея на 3D-печатном щите.

- Я использую проволочную обмотку.

- Используйте кастрюли с квадратным дном, отрежьте монтажные петли и приклейте их горячим клеем.

- Компоненты припаяны. Используйте женский заголовок для OLED, и OLED можно легко отключить и удалить для использования в других проектах.

Примечания к эскизу:

- Подключите провод от клеммной колодки (подключенной к контакту 2, TX) к контакту 1 (последовательный RX) Ball Balancer Arduino. Подключите провод между клеммной колодкой (землей) и землей Ball Balancer Arduino.

- Удерживая кнопку, отрегулируйте ручки, чтобы отрегулировать настройки PID, отпустите кнопку, чтобы отправить значения в Ball Balancer.

Шаг 6: Использование Ball Balancer и PID Fiddler

Осталось только начать с ней играть!

- Поместите мяч на рельс.

- Удерживая кнопку на PID Fiddler, установите P, I и D на ноль, ST на 200, чтобы начать.

- Сервопривод перестанет отвечать.

- Теперь начните экспериментировать с разными значениями P, I и D, чтобы увидеть, как они влияют на реакцию и движение мяча.

- Попробуйте изменить значения для Sample Time (ST). Время выборки - это время в миллисекундах, в течение которого собираются входные данные. Значения усредняются за время выборки. Выходной сигнал датчика неподвижной цели будет немного отличаться. Если время выборки слишком мало, выходной сигнал ПИД-регулятора будет "дрожать". ПИД-регулятор пытается исправить шум в показаниях датчика. Использование более продолжительного времени выборки сгладит шум, но выходной сигнал ПИД-регулятора будет прерывистым.

Шаг 7:

Не используется