Nền tảng Stewart cân bằng bóng có điều khiển PID: 6 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Động lực và Khái niệm tổng thể:

Là một nhà vật lý được đào tạo, tôi tự nhiên bị cuốn hút và tìm cách hiểu các hệ thống vật lý. Tôi đã được đào tạo để giải quyết các vấn đề phức tạp bằng cách chia nhỏ chúng thành các thành phần cơ bản và thiết yếu nhất của chúng, sau đó xây dựng vấn đề trở lại từ đó. Mặc dù tôi đã học cơ học và điện từ học từ những nguyên lý đầu tiên, tôi vẫn chưa sử dụng chúng trong một số ứng dụng vật lý. Cuối cùng, tôi sẽ có được cơ hội này bằng cách tạo ra một robot sử dụng lý thuyết điều khiển tự động để tự động cân bằng một quả bóng trên một nền phẳng, được điều khiển hoàn toàn, tất cả đều tự động!

Trong cách làm này; nghĩa là dành cho hacker, lập trình viên hoặc kỹ sư hiểu biết về kỹ thuật, chúng tôi sẽ sử dụng Arduino Uno làm nền tảng vi điều khiển của mình. Vòng phản hồi kín đầu tiên bắt đầu khi nó cảm nhận được vị trí của một ổ bi kim loại rắn nằm trên một màn hình điện trở cảm ứng phẳng, màn hình này sẽ đưa các viên bi trở lại vị trí ngay lập tức. Vị trí này sau đó được đưa vào bộ điều khiển đạo hàm theo tỷ lệ-tích phân (PID), mà chúng tôi đã lập trình vào Arduino Uno. Tôi đã đặt mã này thành mã nguồn mở và được liên kết trong dự án. Bộ điều khiển có nhiệm vụ khôi phục bóng đến bất kỳ vị trí nào do người dùng chọn trên bàn, ngay cả khi bị xáo trộn đáng kể. Nền tảng hỗ trợ cấu trúc mà chúng tôi sẽ sử dụng được gọi là “nền tảng Stewart” và được hỗ trợ bởi sáu thanh kết nối độc lập được điều khiển bởi động cơ servo sẽ cung cấp tới sáu bậc tự do; Các phép tịnh tiến X, Y và Z, cuộn, cao độ và yaw (các phép quay về các trục X, Y và Z tương ứng). Việc xây dựng và lập trình một nền tảng có tính di động cao như vậy cũng có những thách thức riêng, vì vậy đối với dự án này, chúng tôi sẽ chỉ kêu gọi các mức độ tự do cao độ và cuộn, để lại các nền tảng khác dưới dạng nâng cấp chức năng tùy chọn, nếu người dùng mong muốn. Cùng với việc nền tảng di chuyển quả bóng đến bất kỳ vị trí nào trong số các vị trí do người dùng xác định tĩnh, các lập trình viên nâng cao sẽ thấy dễ dàng cải tiến chương trình và thêm một số điều chỉnh bằng cách thay thế vị trí tĩnh do người dùng xác định bằng dấu vết bán liên tục của người dùng đường dẫn xác định, chẳng hạn như hình số tám, quỹ đạo hình tròn, tên của bạn bằng chữ thảo, hoặc luồng trực tiếp yêu thích của tôi về bút cảm ứng hoặc ngón tay của ai đó trên thiết bị di động của chính họ! Chúc bạn hack vui vẻ!

Bước 1: Nhận tài liệu

Vật liệu cần thiết:

1. Một vài tấm Acrylic 1/4 "và 1/8"

2. 6 - Động cơ Servo (Chúng tôi đã sử dụng Servo của HS5485HB)

3. 6 - Thanh kết nối có ren (có thể điều chỉnh)

4. 6 - Cánh tay Servo gia công CNC với nhiều lỗ để có thể điều chỉnh

5. 12 - Kết thúc thanh nối Heim

6. 6 - Que (Có thể điều chỉnh)

7. Bảng điều khiển màn hình cảm ứng điện trở năm dây 1- 17”Bộ USB (cảm nhận vị trí của ổ bi)

Bước 2: Chuẩn bị vật liệu

Cách tốt nhất để cắt acrylic là sử dụng máy quay laser. Việc tiếp cận một cái có thể khó khăn, vì vậy acrylic cũng có thể dễ dàng cắt bằng bất kỳ dụng cụ cắt nào mà bạn quen thuộc, được đào tạo bài bản và có thể vận hành an toàn. Ví dụ, nếu tôi làm việc này ở nhà, tôi sẽ sử dụng một chiếc cưa tay. Hình dạng tổng thể của nền tảng Stewart không cần phải khớp chính xác với mô hình tôi đã xây dựng. Tuy nhiên, tôi muốn chỉ ra một vài cơ hội đơn giản hóa. Đầu tiên, việc lập bản đồ cao độ và bậc tự do cuộn sẽ dễ dàng hơn nhiều bằng cách sử dụng ba cơ sở, thay vì hai tiêu chuẩn. điều này được thực hiện bằng cách làm cho việc gắn các thanh kết nối với bệ thực tế là một tam giác đều. Điều này cho phép bạn bỏ qua tất cả các phức tạp của việc tìm tung độ và bậc tự do (DOF) từ đầu, thay vào đó chúng tôi sử dụng 3 "cơ sở" độc lập không tuyến tính chỉ đơn giản là bản đồ của góc đó của tam giác đi lên. Điều này sẽ là một thách thức đối với bạn hoặc tôi để viết ra các tọa độ trong cơ sở này, nhưng sự phụ thuộc lẫn nhau của các cơ sở này có thể dễ dàng xử lý bằng mã. Giả định đơn giản hóa này là chìa khóa để bỏ qua tất cả những phức tạp của hình học. Xem hình ảnh đồ họa MS Paint và hình ảnh bảng trắng để biết thêm chi tiết.

Sau khi các mảnh được cắt, bạn sẽ cần phải khoan tất cả các lỗ, đó là nơi các thanh kết nối và khớp nối bóng của bạn kết nối với nhau. Hãy cẩn thận để khớp kích thước lỗ với phần cứng phù hợp mà bạn đang sử dụng. Điều này rất quan trọng để có các chốt bạn chọn hoạt động. Kích thước lỗ dựa trên kích thước vòi bạn sẽ cần cho dây buộc của mình. Để thực hiện việc này, hãy tìm tài liệu tham khảo trực tuyến về kích thước vòi, độ cao và loại chủ đề cụ thể (tốt so với khóa học). Tôi khuyên bạn nên sử dụng chủ đề cho acrylic, nhưng nếu bạn phải sử dụng chỉ tốt, nó sẽ hoạt động tốt, vì đó là những gì chúng tôi đã sử dụng. Bây giờ đã đến lúc chuyển sang lắp ráp.

Bước 3: Lắp ráp vật liệu

Cẩn thận lắp ráp các vật liệu để đặc tả. Đặc biệt cẩn thận để không tước bất kỳ ốc vít nào. Khi điều này được thực hiện, bạn sẽ phải thay đổi phần cứng bằng cách tăng kích thước và khoan các lỗ lớn hơn và khai thác chúng, hoặc bạn sẽ cần phải cắt một miếng acrylic hoàn toàn mới. Cũng cần lưu ý cẩn thận với màn hình điện trở cảm ứng. Nó mong manh !!! Dù gì thì nó cũng là một lớp thủy tinh mỏng. Lưu ý rằng bản thân chúng tôi đã gặp tai nạn.

Bước 4: Lập trình

Việc lập trình có thể mất một chút thời gian. Đây là nơi mà kỹ năng lập trình của bạn thực sự có thể được đền đáp. Bạn không cần phải viết mã từ đầu, nhưng nếu bạn có thể tìm thấy một mã nguồn được nhận xét và tổ chức tốt để sửa đổi, thì điều đó sẽ khiến cuộc sống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Đây là liên kết đến mã nguồn của chúng tôi: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, giúp mình với! Nó chắc chắn không được tối ưu hóa, nhưng đã hoàn thành công việc! Hãy nhớ rằng chúng tôi đang sử dụng ba cơ sở độc lập không trực tiếp, không tuyến tính riêng biệt cho bản đồ kiểm soát. Chúng tôi chỉ đơn giản là đọc mọi thứ theo x, y và ánh xạ tới A, B và C. Phản hồi này sau đó được điều chỉnh trên toàn cầu để điều chỉnh mức độ nhiều hay ít mà chúng tôi muốn hệ thống phản hồi.

Bước 5: Thử nghiệm

Ở đây chúng tôi kiểm tra các bậc tự do. Lưu ý ngay bây giờ ba cơ sở của chúng tôi trả hết như thế nào! Ví dụ, để lấy DOF cuộn, chúng ta chỉ cần đi xuống một đơn vị ở bên trái, trong khi đi lên một đơn vị ở bên phải và ngược lại đối với hướng khác. Điều quan trọng nữa là bạn phải hoàn thành tốt công việc lọc tiếng ồn từ màn hình cảm ứng của mình. Điều này rất quan trọng để có dữ liệu tốt để cung cấp vào PID của bạn.

Bước 6: Tinh chỉnh và tận hưởng

Giai đoạn thử nghiệm thực sự chỉ để loại bỏ các lỗi. Ở đây, chúng tôi tập trung vào việc tinh chỉnh hệ thống điều khiển. điều này được thực hiện tốt nhất với một thuật toán đặt trước. Yêu thích của tôi là tiếp cận nó như một vấn đề nghiêm trọng làm giảm sự cố, Ahem! Tôi là một nhà vật lý học! Vì vậy, bạn tắt thuật ngữ giảm chấn! Tức là thuật ngữ phái sinh, hoạt động giống như một thuật ngữ kéo. Bây giờ quả bóng sẽ dao động dữ dội! Tuy nhiên, mục tiêu là làm cho các dao động gần với điều hòa nhất có thể, không phát triển hoặc suy giảm, tốt nhất có thể. Sau khi hoàn tất, bạn bật thuật ngữ phái sinh và điều chỉnh cho đến khi nó trở lại trạng thái cân bằng càng nhanh càng tốt. Đây là lúc đạt được độ giảm chấn quan trọng. Tuy nhiên, nếu điều này không hiệu quả, có nhiều chương trình điều chỉnh khác đã được chứng minh tốt cho các hệ thống được điều khiển bằng PID. Tôi tìm thấy điều này trên wikipedia, trong bộ điều khiển PID. Cảm ơn bạn rất nhiều vì đã xem qua dự án của tôi và vui lòng liên hệ nếu có bất kỳ câu hỏi nào, tôi sẽ sẵn lòng trả lời bất kỳ câu hỏi nào của bạn. Lưu ý đặc biệt: Tôi muốn chỉ ra rằng dự án này từ đầu đến cuối được thực hiện bởi Miracle Max Guerrro và bản thân tôi chỉ trong vòng chưa đầy bốn tuần, bao gồm cả việc chờ đợi hai tuần cho một màn hình mới bị mắc kẹt trong hải quan, sau màn hình đầu tiên của chúng tôi phá sản. Vì vậy, xin lỗi nó còn lâu mới có hiệu suất hoàn hảo. Chúc bạn hack vui vẻ!