Ball Balancer và PID Fiddler: 7 bước (có hình ảnh)

2025 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2025-01-23 15:15

Dự án này được trình bày cho những người có kinh nghiệm sử dụng Arduino. Kiến thức trước về việc sử dụng servos, màn hình OLED, nồi, nút bấm, hàn sẽ hữu ích. Dự án này sử dụng các bộ phận được in 3D.

Ball Balancer là một giàn thử nghiệm PID để thử nghiệm điều chỉnh PID. PID Fiddler là một điều khiển từ xa để điều chỉnh điều chỉnh PID.

PID được sử dụng khi bạn cần kiểm soát chuyển động nhiều hơn. Một ví dụ điển hình là robot cân bằng. Robot cần phải thực hiện những điều chỉnh nhỏ để duy trì sự cân bằng và phản ứng nhanh để tự bắt mình nếu nó gặp phải va chạm hoặc xô đẩy. Một PID có thể được sử dụng để điều chỉnh phản ứng của động cơ bánh xe nhằm duy trì sự cân bằng.

PID yêu cầu phản hồi từ cảm biến. Robot cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển và gia tốc kế để đo góc tuyệt đối của robot. Đầu ra của cảm biến được sử dụng bởi PID để điều khiển động cơ nhằm duy trì sự cân bằng.

Vậy tại sao tôi lại làm một chiếc máy cân bằng bóng nhàm chán? Chắc chắn điều đó thật tuyệt, nhưng rô bốt cân bằng sẽ bị lật khi chúng không được điều chỉnh chính xác. Robot cân bằng không phải là thiết bị tốt nhất để thử nghiệm điều chỉnh PID. Bộ cân bằng bóng ổn định hơn nhiều và là một công cụ trực quan tốt để xem hiệu ứng của việc điều chỉnh PID. Kiến thức thu được từ việc điều chỉnh máy cân bằng bóng có thể được áp dụng để điều chỉnh robot cân bằng.

Ball Balancer là một đường ray trên một điểm trục. Trên đường ray là một quả bóng chuyển động qua lại trên đường ray khi đường ray bị nghiêng. Đường ray được nghiêng với một servo. Ở cuối thanh ray là một cảm biến đo khoảng cách của bóng so với cảm biến. Đầu vào của PID là khoảng cách của bóng so với cảm biến và đầu ra của PID là servo đầu thanh ray và di chuyển bóng.

Tôi đang sử dụng thư viện Arduino PID.

PID Fiddler là thứ tôi sử dụng để điều chỉnh các giá trị PID. Bạn không cần một cái, nhưng nó sẽ hữu ích. PID Fiddler được điều khiển từ xa với Ball Balancer, nó chỉ kết nối với hai dây và nó có thể được kết nối và ngắt kết nối trong khi Ball Balancer đang chạy. Khi bạn tìm thấy các giá trị tốt nhất, các giá trị có thể được mã hóa cứng trong bản phác thảo dự án của bạn.

Nỗ lực bổ sung của việc làm cho PID Fiddler được đền đáp đúng lúc để thực hiện các thay đổi điều chỉnh đối với PID. Bạn có thể nhanh chóng xem kết quả của những thay đổi của mình. Và nó có thể được sử dụng lại trên các dự án trong tương lai có sử dụng PID. Chưa kể nó rất thú vị khi xây dựng và trông rất tuyệt!

Bước 1: Cân bằng bóng - Các bộ phận

Các bộ phận in 3D được tìm thấy tại đây:

(Hướng dẫn lắp ráp được tìm thấy trong hướng dẫn Sau khi In ở liên kết ở trên)

Góc nhôm 1 - 1 "x 1/8", cắt theo chiều dài 500mm.

1 - Cảm biến khoảng cách thời gian bay Adafruit VL53L0X:

1 - Sở thích Servo với còi điều khiển

1 - Dây cứng để liên kết (khoảng 7mm)

- Khác. Vít

1- Arduino Uno

2 - Đèn LED (đỏ, xanh lá cây)

Điện trở 3 - 330 Ohm

- Khác. Dây jumper và Breadboard

- Sơn phun đen phẳng

1 - Quả bóng bàn trắng

Bước 2: Cân bằng bóng - Lắp ráp

Hướng dẫn lắp ráp cho Máy cân bằng bóng được tìm thấy tại đây:

Một số mẹo bổ sung:

Phun sơn đen mặt trong của thanh ray phẳng để giảm lỗi từ cảm biến.

Liên kết (Hình trên):

- Sử dụng một sợi dây cứng dài khoảng 7mm để liên kết giữa còi điều khiển servo và giá đỡ cảm biến.

- Cân bằng thanh ray, đặt còi điều khiển nằm ngang ở điểm giữa của chuyển động servo (giá trị servo 90).

- Uốn một vòng nhỏ ở đầu dây, và uốn cong hình chữ z ở dưới cùng của dây.

- Đưa đầu z vào còi điều khiển, đánh dấu điểm chính giữa vòng tua trên giá đỡ cảm biến.

- Khoan một lỗ nhỏ và dùng vít nhỏ để gắn dây vào giá đỡ cảm biến.

Bước 3: Đi dây cân bằng bóng và phác thảo Arduino

Tham khảo hình trên để nối dây.

Sử dụng nguồn điện riêng cho servo. Đây có thể là nguồn điện dự phòng hoặc bộ pin. Tôi đang sử dụng nguồn điện dự phòng được đặt ở 5V.

PID Fiddler sẽ được gắn bằng hai dây, một dây vào Pin 1 (Serial RX) và một dây nối đất.

Bản phác thảo được cung cấp.

Ghi chú phác thảo: Giá trị điểm đặt sẽ thay đổi từ 200mm thành 300mm sau mỗi 15 giây. Sẽ rất hữu ích khi sử dụng Serial Monitor trên Arduino IDE để xem đầu ra của cảm biến.

Bước 4: PID Fiddler 2 - Các bộ phận

Các nút bấm và lá chắn in 3D được tìm thấy tại đây:

4 - 10 chậu Kohm

1- Các nút liên hệ tạm thời:

1- Màn hình đồ họa OLED đơn sắc 128x32 I2C Adafruit:

1- Arduino Uno

- linh tinh. ping tiêu đề (.1 in), khối thiết bị đầu cuối, dây nối

Bước 5: Pid Fiddler 2 - Wiring, Assembly và Arduino Sketch

Sử dụng sơ đồ nối dây để nối dây cho tấm chắn.

Mẹo lắp ráp:

- Để biết các mẹo về cách tạo bảng mạch tùy chỉnh, hãy xem hướng dẫn của tôi:

- Đầu dán siêu keo trên tấm chắn in 3D.

- Tôi dùng dây điện quấn.

- Dùng chậu vuông đáy và cắt bỏ các mấu lắp, dùng keo nóng dán chúng vào vị trí.

- Các thành phần được hàn. Sử dụng tiêu đề nữ cho OLED và OLED có thể dễ dàng rút và tháo ra để sử dụng cho các dự án khác.

Ghi chú phác thảo:

- Kết nối dây từ khối thiết bị đầu cuối (có dây vào chân 2, TX) đến chân 1 (RX nối tiếp) của Bộ cân bằng bóng Arduino. Kết nối dây giữa khối thiết bị đầu cuối (nối đất) với mặt đất của Bộ cân bằng bóng Arduino.

- Nhấn giữ nút, điều chỉnh các nút để điều chỉnh cài đặt PID, nút nhả để gửi các giá trị đến Bộ cân bằng bóng.

Bước 6: Sử dụng Ball Balancer và PID Fiddler

Điều duy nhất còn lại là bắt đầu chơi với nó!

- Đặt bóng trên thanh ray.

- Giữ nút trên PID Fiddler, đặt P, I và D thành 0, ST thành 200 để bắt đầu.

- Servo sẽ ngừng phản hồi.

- Bây giờ hãy bắt đầu thử nghiệm với các giá trị P, I và D khác nhau để xem nó ảnh hưởng như thế nào đến phản ứng và chuyển động của quả bóng.

- Thử thay đổi các giá trị cho Thời gian mẫu (ST). Thời gian lấy mẫu là thời gian tính bằng mili giây đầu vào được thu thập. Các giá trị được tính trung bình theo thời gian lấy mẫu. Đầu ra cảm biến của mục tiêu tĩnh sẽ thay đổi một lượng nhỏ. Nếu thời gian lấy mẫu quá nhỏ, đầu ra của PID sẽ "chập chờn". PID đang cố gắng sửa tiếng ồn trong các kết quả đọc của cảm biến. Sử dụng Thời gian lấy mẫu lâu hơn sẽ làm dịu tiếng ồn, nhưng đầu ra của PID sẽ bị giật.

Bước 7:

Không được sử dụng