Stewart platforma za uravnoteženje kroglic s PID -om: 6 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Motivacija in splošni koncept:

Kot fizik na usposabljanju me naravno privlačijo fizični sistemi in jih skušam razumeti. Izobražen sem bil za reševanje kompleksnih problemov tako, da jih razčlenim na njihove najosnovnejše in bistvene sestavine, nato pa od tam ponovno vzpostavim težavo. Čeprav sem se mehanike in elektromagnetizma učil od prvih načel, jih še nisem uporabil pri nekaterih fizičnih aplikacijah. To priložnost bom končno dobil z ustvarjanjem robota, ki uporablja teorijo samodejnega upravljanja za avtonomno uravnoteženje žoge na ravni, popolnoma nadzorovani platformi, vse samo po sebi!

V tem navodilu; ki je namenjen tehnično podkovanemu hekerju, programerju ali inženirju, bomo kot našo platformo za mikrokrmilnik uporabili Arduino Uno. Zaprta povratna zanka se najprej zažene, ko zazna položaj trdnega kovinskega krogličnega ležaja, ki leži na ravnem uporovnem zaslonu na dotik, ki kroglice vrne v takojšnji položaj. Ta položaj se nato vnese v krmilnik proporcionalno-integralno izpeljane (PID), ki smo ga programirali v Arduino Uno. To kodo sem naredil odprtokodno in jo povezal v projektu. Naloga krmilnika je, da žogo vrne na kateri koli uporabniški položaj na mizi, tudi če je močno moten. Strukturna podporna platforma, ki jo bomo uporabljali, je znana kot "Stewart platforma" in je podprta s šestimi neodvisnimi ojnicami, ki jih poganjajo servo motorji, kar bo zagotovilo do šest stopinj svobode; Prevodi X, Y in Z, zvijanje, nagib in nihanje (rotacije okoli osi X, Y in Z). Sestavljanje in programiranje tako zelo mobilne platforme predstavlja svoje izzive, zato se bomo pri tem projektu obrnili le na stopnje svobode, druge pa bomo pustili kot neobvezne nadgradnje funkcionalnosti, če bo uporabnik tako želel. Poleg platforme, ki premakne žogo v kateri koli niz statičnih uporabniško določenih položajev, bodo napredni programerji z lahkoto izboljšali program in dodali nekaj prednosti, tako da naš statični, uporabniško določen položaj, zamenjajo s pol-neprekinjeno sledjo uporabnika. določena pot, na primer osmica, krožna pot, vaše ime v kurzivu ali meni najljubši prenos v živo nekoga s pisalom ali prstom na njihovi mobilni napravi! Veselo hekiranje!

1. korak: Pridobite materiale

Potrebni materiali:

1. Nekaj listov 1/4 "in 1/8" akrila

2. 6 - Servo motorji (uporabili smo servomotorje HS5485HB)

3. 6 - Navojne (nastavljive) ojnice

4. 6 - CNC obdelane servo ročice z več luknjami za nastavljivost

5. 12 - Konec spojke Heim

6. 6 - palice (nastavljive)

7. 1- 17-palčni USB-komplet s petimi žičnimi zasloni na dotik (zaznavanje položaja krogličnega ležaja)

2. korak: Pripravite materiale

Najboljši način za rezanje akrila je uporaba laserske kamere. Dostop do enega je lahko težaven, zato lahko tudi akril enostavno razrežete z vsemi rezalnimi orodji, ki jih poznate, na njih ste ustrezno usposobljeni in lahko delujejo varno. Če bi to na primer počel doma, bi uporabil ročno žago. Celotna oblika platforme Stewart se ne mora popolnoma ujemati z modelom, ki sem ga izdelal. Želim pa opozoriti na nekaj poenostavitvenih priložnosti. Prvič, veliko lažje je preslikati stopnje svobode nagiba in nagiba z uporabo treh osnove, namesto standardnih dveh. to naredite tako, da pritrdite ojnice na dejansko ploščad kot enakostranični trikotnik. To vam omogoča, da zanemarite vse zaplete pri iskanju stopnje svobode smole in zvitka (DOF) iz nič, namesto tega uporabljamo 3 nelinearno neodvisne "osnove", ki so preprosto zemljevid tega kota trikotnika navzgor. Za vas ali mene bi bilo to, da na to osnovo napišete koordinate, vendar koda preprosto reši soodvisnost te osnove. Ta poenostavitvena predpostavka je ključna za zanemarjanje vseh zapletenosti geometrije. Za podrobnosti si oglejte sliko grafične slike in bele table MS Paint.

Ko so kosi odrezani, boste morali izvrtati vse luknje, na katere se povezujejo vaše ojnice in kroglični sklepi. Pazite, da velikost luknje prilagodite ustrezni strojni opremi, ki jo uporabljate. To je ključnega pomena za delovanje izbranih pritrdilnih elementov. Velikosti lukenj temeljijo na velikosti pipe, ki jo potrebujete za pritrdilni element. Če želite to narediti, poiščite spletno referenco za določeno velikost pipe, korak in vrsto navoja (fino proti smeri). Priporočam niti tečaja za akril, če pa morate uporabiti fino nit, bi se moralo izkazati, saj smo to vseeno uporabili. Zdaj je čas, da preidete na montažo.

3. korak: Sestavite materiale

Previdno sestavite materiale po specifikacijah. Bodite še posebej previdni, da ne odstranite vijakov. Ko to storite, boste morali spremeniti strojno opremo tako, da prilagodite velikost in izvrtate večje luknje ter jih tapkate, ali pa boste morali izrezati povsem nov kos akrila. Upoštevajte, da morate biti previdni tudi pri odpornem zaslonu na dotik. Krhka je !!! Navsezadnje je tanek sloj stekla. Upoštevajte, da smo sami imeli nesrečo.

4. korak: Programiranje

Programiranje lahko traja nekaj časa. Tu se vam lahko znanje programiranja resnično izplača. Kode vam ni treba pisati iz nič, če pa najdete dobro komentirano in organizirano izvorno kodo, ki jo želite spremeniti, vam to močno olajša življenje. Tukaj je povezava do naše izvorne kode: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, pomagajte si! Vsekakor ni optimiziran, vendar je delo opravljeno! Ne pozabite, da za zemljevid kontrol uporabljamo tri ločene neortoganalne, nelinearno neodvisne osnove. Enostavno beremo vse v x, y in preslikamo na A, B in C. Ta odziv se nato globalno prilagodi, koliko bolj ali manj želimo, da se sistem odzove.

5. korak: Testiranje

Tu preizkušamo stopnje svobode. Upoštevajte, kako se naše tri osnove izplačajo! Na primer, da dobimo rolo DOF, preprosto gremo navzdol za eno enoto na levi, hkrati pa za eno enoto navzgor na desni in obratno v drugo smer. Pomembno je tudi, da ste dovolj dobro filtrirali hrup z zaslona na dotik. To je ključnega pomena za dobre podatke za vnos v vaš PID.

6. korak: fino nastavite in uživajte

Faza testiranja je bila res samo zato, da bi odpravili hrošče. Tu se osredotočamo na natančno nastavitev nadzornega sistema. to je najbolje storiti s prednastavljenim algoritmom. Moj najljubši je, da k temu pristopim kot k kritičnemu dušilnemu problemu, Ahem! Jaz sem fizik! Torej izklopite blažilni rok! To je izpeljani izraz, ki deluje kot izraz vlečenja. Zdaj bo žoga močno nihala! Cilj pa je doseči, da so nihanja čim bližje harmoniki, da ne rastejo ali propadajo, kolikor je le mogoče. Ko to storite, vklopite izpeljani izraz in se prilagajate, dokler se čim hitreje ne vrne v ravnovesje. Takrat se doseže kritično dušenje. Če pa to ne deluje, obstaja veliko drugih dobro preverjenih shem uglaševanja za sisteme, nadzorovane s PID. To sem našel na wikipediji pod PID krmilnikom. Najlepša hvala za ogled mojega projekta in se obrnite na vsa vprašanja, z veseljem vam bom odgovoril na vsa vprašanja. Posebna opomba: Poudariti želim, da sta ta projekt od začetka do konca naredila čudež Max Guerrro in jaz v slabih štirih tednih, vključno s tem, da smo dva tedna čakali na nov zaslon, ki je bil obtičan po našem prvem zlomil. Zato se opravičujem, da še zdaleč ni popoln. Veselo hekiranje!