Plataforma Stewart d'equilibri de boles controlades PID: 6 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Motivació i concepte general:

Com a físic en formació, m’atrau naturalment i intento comprendre els sistemes físics. M’han format per resoldre problemes complexos dividint-los en els seus ingredients més bàsics i essencials, i després reconstruir el problema a partir d’aquí. Tot i que he estat aprenent mecànica i electromagnetisme des dels primers principis, encara els he d’utilitzar en alguna aplicació física. Finalment aconseguiré aquesta oportunitat creant un robot que utilitzi la teoria dels controls automàtics per equilibrar de forma autònoma una bola en una plataforma plana i totalment controlada, tot sol.

En aquest procediment; que està pensat per a un hacker, programador o enginyer tècnicament intel·ligent, utilitzarem un Arduino Uno com a plataforma de microcontroladors. El bucle de retroalimentació tancat comença primer quan detecta la posició d’un coixinet de boles de metall sòlid sobre una pantalla resistiva tàctil plana, que retroalimenta la posició immediata de les boles. Aquesta posició s’alimenta a un controlador PID (proportional-integral-derivative), que hem programat a l’Arduino Uno. He creat aquest codi de codi obert i enllaçat al projecte. El controlador té la tasca de restaurar la pilota a la posició triada per qualsevol usuari sobre la taula, fins i tot quan estigui pertorbada significativament. La plataforma de suport estructural que utilitzarem es coneix com a "plataforma Stewart" i està suportada per sis bieles independents accionades per servomotors que proporcionaran fins a sis graus de llibertat; Traduccions de X, Y i Z, rotació, pitch i yaw (rotacions sobre els eixos X, Y i Z respectivament). Construir i programar una plataforma tan mòbil presenta els seus propis desafiaments, per la qual cosa, per a aquest projecte, només reclamarem els graus de llibertat de pitch and roll, deixant els altres com a actualitzacions de funcionalitat opcionals, si l’usuari així ho desitja. Juntament amb la plataforma que mou la pilota cap a qualsevol conjunt de posicions estàtiques definides per l'usuari, els programadors avançats tindran fàcil millorar el programa i afegir una mica de pànic substituint la nostra posició estàtica definida per l'usuari, amb una traça semi-contínua d'un usuari. ruta definida, com ara una figura vuit, una trajectòria circular, el vostre nom en cursiva o el meu favorit, una reproducció en directe de l'estil o del dit d'algú al seu propi dispositiu mòbil. Feliç pirateria!

Pas 1: Obteniu materials

Materials necessaris:

1. Alguns fulls de 1/4 "i 1/8" d'acrílic

2. 6 - Servomotors (hem utilitzat servomotors HS5485HB)

3. 6 - Bieles roscades (ajustables)

4. 6 - Servo braç mecanitzat CNC amb múltiples forats per ajustar-lo

5. 12 - Extrems de varilla conjunta Heim

6. 6 - Varetes (ajustables)

7. Kit USB de panell de pantalla tàctil resistent de cinc fils de 17 (posició de sentit del rodament de boles)

Pas 2: prepareu materials

La millor manera d’aconseguir el tall acrílic és mitjançant una càmera làser. L’accés a un pot ser difícil, de manera que l’acrílic també es pot tallar fàcilment utilitzant les eines de tall que conegueu, es formi adequadament i pugui funcionar amb seguretat. Si, per exemple, ho fes a casa, faria servir una serra per afrontar la mà. La forma general de la plataforma Stewart no ha de coincidir exactament amb el model que vaig construir. No obstant això, vull assenyalar algunes oportunitats simplificadores. En primer lloc, és molt més fàcil cartografiar els graus de llibertat de pitch i roll utilitzant tres bases, en lloc de les dues estàndard. això es fa fent que la fixació de les bieles a la plataforma real sigui un triangle equilàter. Això us permet descuidar totes les complicacions de trobar el grau de llibertat (pitch and roll) de llibertat (DOF) des de zero, en lloc d’això fem servir 3 “bases” no lineals independents que són simplement el mapa d’aquesta cantonada del triangle que puja. Això seria un repte per a vosaltres o per a mi escriure coordenades en aquesta base, però la interdependència d’aquestes bases és fàcil de gestionar mitjançant el codi. Aquesta suposició simplificadora és clau per descuidar totes les complexitats de la geometria. Consulteu la imatge gràfica i la pissarra de MS Paint per obtenir més informació.

Un cop tallades les peces, haureu de perforar tots els forats, on es connecten les bieles i les articulacions. Aneu amb compte de fer coincidir la mida del forat amb el maquinari adequat que utilitzeu. Això és vital perquè els elements de fixació escollits funcionin. Les mides dels forats es basen en la mida de l’aixeta que necessiteu per a la subjecció. Per fer-ho, cerqueu una referència en línia per a la mida específica de l’aixeta, el to i el tipus de fil (bé contra curs). Recomano fils de curs per a l'acrílic, però si heu d'utilitzar fils fins, hauria de funcionar, ja que és el que hem utilitzat de totes maneres. Ara és hora de passar al muntatge.

Pas 3: Muntatge de materials

Muntar amb cura els materials segons les especificacions. Tingueu especial cura de no tirar cap cargol. Un cop fet això, haureu de canviar de maquinari dimensionant i forant forats més grans i tocant-los, o bé haureu de tallar una peça totalment nova d’acrílic. Tingueu en compte també la pantalla resistiva al tacte. És fràgil !!! Al cap i a la fi, és una fina capa de vidre. Tingueu en compte que nosaltres mateixos vam tenir un accident.

Pas 4: Programació

La programació pot trigar una mica. Aquí és on les vostres habilitats de programació poden donar els seus fruits. No cal que pugueu escriure el codi des de zero, però si podeu trobar un codi font ben comentat i organitzat per modificar, això us facilitarà la vida. Aquí teniu l’enllaç al nostre codi font: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, ajudeu-vos! Certament, no està optimitzat, però ha fet la feina. Recordeu que estem utilitzant tres bases independents no ortoganals i no linealment independents per al mapa de controls. Simplement estem llegint tot en x, y i assignant-nos a A, B i C. Aquesta resposta es sintonitza globalment per ajustar quant o més volem que respongui el sistema.

Pas 5: proves

Aquí posem a prova els graus de llibertat. Tingueu en compte ara com paguen les nostres tres bases. Per exemple, per obtenir el roll DOF, simplement baixem una unitat a l'esquerra, mentre anem pujant una unitat a la dreta i viceversa per l'altra direcció. També és important haver realitzat un treball prou bo filtrant el soroll des de la pantalla tàctil. Això és vital per tenir bones dades per alimentar el vostre PID.

Pas 6: Afineu i gaudiu

La fase de proves va ser realment només per eliminar els errors. Aquí, ens centrem en la posada a punt del sistema de controls. això es fa millor amb un algorisme predefinit. El meu preferit és abordar-lo com un problema crític d’esmorteïment, Ahem! Sóc físic! Per tant, desactiveu el termini d'esmorteïment. És a dir, el terme derivat, que actua com un terme arrossegament. Ara, la pilota oscil·larà molt. Tanmateix, l’objectiu és aconseguir que les oscil·lacions siguin el més properes a l’harmònic possible, que no creixin ni decreixin, el millor possible. Un cop fet això, activeu el terme derivat i l'ajusteu fins que torni a l'equilibri el més ràpidament possible. En aquest moment s’aconsegueix una amortiment crític. Tot i això, si això no funciona, hi ha molts altres esquemes d’ajustament ben provats per als sistemes controlats per PID. Ho vaig trobar a la viquipèdia, sota el controlador PID. Moltes gràcies per fer una ullada al meu projecte i, si us plau, contacteu amb qualsevol pregunta, estaré encantat de respondre a qualsevol pregunta que tingueu. Nota especial: vull assenyalar que aquest projecte, de principi a fi, el vam fer el Miracle Max Guerrro i jo mateix en poc menys de quatre setmanes, inclosa l’espera de dues setmanes per obtenir una nova pantalla que quedava atrapada a la duana, després de la nostra primera es va trencar. Per tant, disculpeu que està lluny d’un rendiment perfecte. Feliç pirateria!