PID vezérelt labda kiegyensúlyozó Stewart platform: 6 lépés

2025 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2025-01-23 14:48

Motiváció és általános koncepció:

Fizikusként képzésben természetesen vonzódom a fizikai rendszerekhez, és igyekszem megérteni őket. Engem arra bíztak, hogy összetett problémákat oldjak meg úgy, hogy lebontom őket a legalapvetőbb és legfontosabb összetevőikre, majd onnan újra felépítem a problémát. Bár a mechanikát és az elektromágnesességet az első elvekből tanultam, még nem kell őket alkalmaznom valamilyen fizikai alkalmazásban. Végre megkapom ezt a lehetőséget, ha létrehozok egy robotot, amely az automatikus vezérlés elméletével önállóan kiegyensúlyozza a labdát egy lapos, teljesen vezérelt platformon, mindezt önmagában!

Ebben a hogyanban; amely a technikailag hozzáértő hacker, programozó vagy mérnök számára készült, egy Arduino Uno -t fogunk használni mikrokontroller platformunkként. A zárt visszacsatoló hurok először akkor kezdődik, amikor érzékeli a tömör fém golyóscsapágy helyzetét, amely lapos érintőképernyőn fekszik, és amely visszaadja a golyók azonnali helyzetét. Ezt a pozíciót ezután egy arányos-integrál-származtatott (PID) vezérlőbe tápláljuk, amelyet az Arduino Uno-ba programoztunk. Ezt a kódot nyílt forráskódúvá tettem és linkeltem a projektben. A vezérlő feladata, hogy visszaállítsa a labdát az asztal bármely felhasználó által kiválasztott pozíciójába, még akkor is, ha jelentősen zavart. Az általunk használt szerkezeti tartóplatformot „Stewart -platformnak” nevezzük, és hat független hajtórúd támogatja, amelyeket szervomotorok hajtanak, és amelyek hat szabadságfokot biztosítanak; X, Y és Z fordítások, görgetés, dőlésszög és elfordulás (forgás az X, Y és Z tengely körül). Egy ilyen rendkívül mobil platform létrehozása és programozása saját kihívásokat jelent, ezért ebben a projektben csak a szabadság fokát és gördülési fokát fogjuk igénybe venni, a többit a funkcionalitás opcionális frissítéseként hagyjuk, ha a felhasználó úgy akarja. Amellett, hogy a platform a labdát a felhasználó által meghatározott statikus pozíciók bármelyikére mozgatja, a haladó programozóknak könnyű lesz javítani a programot, és hozzáadni némi csodát, ha lecseréljük a statikus, felhasználó által meghatározott pozíciónkat, egy félig folyamatos felhasználónyomra meghatározott útvonalat, például nyolcadik ábrát, körpályát, a nevét kurzív, vagy a kedvencemet élő tollát valaki tolláról vagy ujjáról saját mobil eszközén! Boldog hackelést!

1. lépés: Szerezzen be anyagokat

Szükséges anyagok:

1. Néhány 1/4 "és 1/8" méretű akril lap

2. 6 - Szervo motorok (HS5485HB szervókat használtunk)

3. 6 - Menetes (állítható) összekötő rudak

4. 6 - CNC megmunkált szervókarok több lyukkal az állíthatóság érdekében

5. 12 - Heim csuklópántvégek

6. 6 - Rúd (állítható)

7. 1–17 hüvelykes, öthuzalos, ellenálló érintőképernyős USB-készlet (a golyóscsapágy helyzete)

2. lépés: Az anyagok előkészítése

A legjobb módja az akril vágásának a lézer bütyök használatával. Az egyikhez való hozzáférés nehéz lehet, így az akril könnyen vágható bármilyen ismert vágószerszámmal, megfelelően kiképezve és biztonságosan használható. Ha ezt például otthon csinálnám, kézi fűrészt használnék. A Stewart platform általános formájának nem kell pontosan egyeznie az általam készített modellel. Mindazonáltal szeretnék néhány egyszerűsítő lehetőséget kiemelni. Először is, sokkal könnyebb feltérképezni a dőlésszög és a gördülési szabadság fokát, ha a standard kettő helyett három bázist használunk. ez úgy történik, hogy az összekötő rudaknak a tényleges platformhoz való rögzítését egyenlő oldalú háromszöggé alakítjuk. Ez lehetővé teszi, hogy figyelmen kívül hagyja az összes bonyodalmat, amikor a nulláról megtalálja a dőlésszög és a dőlésszög (DOF) értékét, ehelyett 3 nem lineárisan független "bázist" használunk, amelyek egyszerűen a háromszög felfelé mutató sarkának térképei. Ez kihívást jelentene Önnek vagy nekem, hogy ennek alapján kiírjuk a koordinátákat, de ezeknek az alapoknak a kölcsönös függősége könnyen kezelhető a kóddal. Ez az egyszerűsítő feltevés kulcsfontosságú ahhoz, hogy elhanyagoljuk a geometria minden bonyolultságát. Részletekért lásd az MS Paint grafikus és tábla képét.

Miután a darabokat elvágták, ki kell fúrni az összes lyukat, amelyekhez az összekötő rudak és a gömbcsuklók csatlakoznak. Ügyeljen arra, hogy a furat mérete megfeleljen a használt hardvernek. Ez elengedhetetlen ahhoz, hogy a kiválasztott rögzítőelemek működjenek. A furatméretek attól függnek, hogy milyen méretű csapra lesz szüksége a rögzítőhöz. Ehhez keresse meg az online hivatkozást az adott csapméretre, menetmagasságra és menet típusra (finom vs tanfolyam). Ajánlom a tanfolyam szálakat az akrilhoz, de ha finom szálat kell használnod, akkor működnie kell, mivel ezt használtuk. Itt az ideje, hogy áttérjünk az összeszerelésre.

3. lépés: Szerelje össze az anyagokat

Óvatosan szerelje össze az anyagokat a specifikációnak megfelelően. Különösen ügyeljen arra, hogy ne csavarja ki a csavarokat. Ha ez megtörtént, akkor vagy hardvert kell cserélnie úgy, hogy méretezi és fúrja a nagyobb lyukakat, és megérinti őket, vagy egy teljesen új akrildarabot kell vágnia. Ügyeljen arra is, hogy legyen óvatos az érintőképernyővel. Törékeny !!! Végül is ez egy vékony üvegréteg. Vegye figyelembe, hogy mi magunk is balesetet szenvedtünk.

4. lépés: Programozás

A programozás eltarthat egy ideig. Itt igazán kifizetődhetnek a programozási ismeretek. Nem kell tudni a kódot a semmiből írni, de ha talál egy jól megjegyzett és rendszerezett forráskódot a módosításához, akkor ez sokkal könnyebbé teszi az életet. Itt a link a forráskódunkhoz: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, segíts magadon! Természetesen nincs optimalizálva, de a munkát elvégezte! Ne feledje, hogy a kontroll térképhez három különálló, nem ortogánális, nem lineárisan független alapot használunk. Egyszerűen olvasunk mindent x -ben, y -ban, és leképezzük A -ra, B -re és C -re. Ezt a választ ezután globálisan hangoljuk, hogy beállítsuk, mennyivel többre akarjuk a rendszert válaszolni.

5. lépés: Tesztelés

Itt teszteljük a szabadság fokát. Jegyezze meg most, hogyan térül meg három bázisunk! Például, hogy megkapjuk a DOF tekercset, egyszerűen lemegyünk egy egységgel a bal oldalon, míg felfelé egy egységgel a jobb oldalon, és fordítva a másik irányba. Az is fontos, hogy kellően jó munkát végeztünk az érintőképernyőről származó zaj szűrésével. Ez elengedhetetlen ahhoz, hogy jó adatokkal rendelkezzen a PID -ben.

6. lépés: Finomhangolás és élvezet

A tesztelési fázis valójában csak a hibák eltávolítása volt. Itt a vezérlőrendszer finomhangolására összpontosítunk. ezt egy előre beállított algoritmussal lehet a legjobban csinálni. A kedvencem, hogy kritikus csillapítási problémaként közelítem meg, Ahem! Fizikus vagyok! Tehát kapcsolja ki a csillapító kifejezést! Vagyis a származtatott kifejezés, amely húzótagként működik. Most a labda vadul rezeg! A cél azonban az, hogy a rezgések a lehető legközelebb legyenek a harmonikushoz, ne növekedjenek vagy bomlanak, amennyire csak lehet. Ha ez megtörtént, bekapcsolja a származtatott kifejezést, és addig módosítja, amíg a lehető leggyorsabban vissza nem tér egyensúlyba. Ekkor érik el a kritikus csillapítást. Ha azonban ez nem működik, sok más jól bevált hangolási séma létezik a PID -szabályozott rendszerekhez. Ezt a wikipédián találtam, PID vezérlő alatt. Nagyon köszönöm, hogy ránézett a projektemre, és bármilyen kérdésével forduljon hozzám, szívesen válaszolok kérdéseire. Külön megjegyzés: Szeretném felhívni a figyelmet arra, hogy ezt a projektet az elejétől a végéig a Miracle Max Guerrro és én magam végeztük el alig négy hét alatt, beleértve azt is, hogy két hétig vártunk egy új képernyőre, amely beragadt a szokásokba, az első után törött. Szóval elnézést kérek, ez messze nem tökéletes teljesítmény. Boldog hackelést!