Piattaforma Stewart di bilanciamento della sfera controllata da PID: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Motivazione e concetto generale:

Come fisico in formazione, sono naturalmente attratto e cerco di capire i sistemi fisici. Sono stato addestrato a risolvere problemi complessi scomponendoli nei loro ingredienti più basilari ed essenziali, per poi ricostruire il problema da lì. Anche se ho imparato la meccanica e l'elettromagnetismo dai primi principi, devo ancora usarli in qualche applicazione fisica. Avrò finalmente questa opportunità creando un robot che utilizza la teoria dei controlli automatici per bilanciare autonomamente una palla su una piattaforma piatta e completamente controllata, tutto da solo!

In questa guida; che è pensato per hacker, programmatori o ingegneri tecnicamente esperti, utilizzeremo un Arduino Uno come piattaforma di microcontrollori. Il circuito di feedback chiuso inizia quando rileva la posizione di un cuscinetto a sfera in metallo solido che giace su uno schermo resistivo tattile piatto, che restituisce la posizione immediata delle sfere. Questa posizione viene quindi inserita in un controller proporzionale-integrale-derivato (PID), che abbiamo programmato in Arduino Uno. Ho reso questo codice open source e collegato al progetto. Il controllore ha il compito di riportare la palla in qualsiasi posizione scelta dall'utente sul tavolo, anche se notevolmente perturbata. La piattaforma di supporto strutturale che utilizzeremo è nota come "piattaforma di Stewart" ed è supportata da sei bielle indipendenti azionate da servomotori che forniranno fino a sei gradi di libertà; Traslazioni X, Y e Z, rollio, beccheggio e imbardata (rispettivamente rotazioni intorno agli assi X, Y e Z). Costruire e programmare una piattaforma così altamente mobile presenta le sue sfide, quindi per questo progetto faremo appello solo ai gradi di libertà di beccheggio e rollio, lasciando gli altri come aggiornamenti opzionali di funzionalità, se l'utente lo desidera. Insieme alla piattaforma che sposta la palla in una qualsiasi di una serie di posizioni statiche definite dall'utente, i programmatori avanzati troveranno facile migliorare il programma e aggiungere un po' di brio sostituendo la nostra posizione statica definita dall'utente, con una traccia semi-continua di un utente percorso definito, come una figura otto, una traiettoria circolare, il tuo nome in corsivo o il mio preferito uno streaming live dello stilo o del dito di qualcuno sul proprio dispositivo mobile! Felice hacking!

Passaggio 1: ottenere materiali

Materiale necessario:

1. Alcuni fogli di acrilico da 1/4" e 1/8"

2. 6 - Servomotori (abbiamo usato i servo HS5485HB)

3. 6 - Bielle filettate (regolabili)

4. 6 - Braccio del servo lavorato a CNC con più fori per la regolazione

5. 12 - Estremità aste con giunto Heim

6. 6 - Aste (regolabili)

7. Kit USB per pannello touch screen resistivo a cinque fili da 1- 17 (rilevamento della posizione del cuscinetto a sfere)

Passaggio 2: preparare i materiali

Il modo migliore per ottenere il taglio acrilico è utilizzare una camma laser. L'accesso a uno può essere difficile, quindi l'acrilico può anche essere facilmente tagliato usando qualsiasi strumento da taglio con cui hai familiarità, adeguatamente addestrato e può funzionare in sicurezza. Se lo facessi a casa, ad esempio, userei una sega a mano. La forma complessiva della piattaforma Stewart non deve corrispondere esattamente al modello che ho costruito. Tuttavia, voglio sottolineare alcune opportunità di semplificazione. Innanzitutto, è molto più semplice mappare i gradi di libertà di beccheggio e rollio utilizzando tre basi, anziché le due standard. ciò avviene rendendo l'attacco delle bielle alla piattaforma vera e propria un triangolo equilatero. Questo ti permette di trascurare tutte le complicazioni di trovare da zero i gradi di libertà di beccheggio e rollio (DOF), invece usiamo 3 "basi" non linearmente indipendenti che sono semplicemente la mappa di quell'angolo del triangolo che sale. Sarebbe difficile per te o per me scrivere le coordinate in questa base, ma l'interdipendenza di queste basi è facilmente gestita dal codice. Questa ipotesi semplificatrice è la chiave per trascurare tutte le complessità della geometria. Vedere l'immagine grafica MS Paint e l'immagine della lavagna per i dettagli.

Una volta tagliati i pezzi, dovrai praticare tutti i fori, che sono i punti in cui si collegano le bielle e i giunti sferici. Fare attenzione a far corrispondere la dimensione del foro all'hardware corretto che si sta utilizzando. Questo è fondamentale per far funzionare gli elementi di fissaggio scelti. Le dimensioni dei fori si basano sulle dimensioni del rubinetto necessarie per il dispositivo di fissaggio. Per fare ciò, trova un riferimento online per la dimensione del maschio, il passo e il tipo di filettatura specifici (fine vs corso). Raccomando ovviamente i fili per l'acrilico, ma se devi usare un filo sottile, dovrebbe funzionare, dato che quello che abbiamo usato comunque. Ora è il momento di passare al montaggio.

Passaggio 3: assemblare i materiali

Assembla con cura i materiali secondo le specifiche. Prestare particolare attenzione a non strappare le viti. Una volta fatto, dovrai cambiare l'hardware ridimensionando e praticando fori più grandi e toccandoli, oppure dovrai tagliare un pezzo di acrilico completamente nuovo. Nota di stare attento anche con il touch screen resistivo. è fragile!!! Dopotutto è un sottile strato di vetro. Nota che abbiamo avuto un incidente noi stessi.

Passaggio 4: programmazione

La programmazione può richiedere del tempo. È qui che le tue capacità di programmazione possono davvero ripagare. Non è necessario essere in grado di scrivere il codice da zero, ma se riesci a trovare un codice sorgente ben commentato e organizzato da modificare, ciò rende la vita molto più semplice. Ecco il link al nostro codice sorgente: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, aiutati! Certamente non è ottimizzato, ma ha fatto il suo lavoro! Ricorda che stiamo usando tre basi separate non ortogonali e non linearmente indipendenti per la mappa dei controlli. Stiamo semplicemente leggendo tutto in x, y e mappando su A, B e C. Questa risposta viene quindi sintonizzata globalmente per regolare quanto più o meno vogliamo che il sistema risponda.

Passaggio 5: test

Qui testiamo i gradi di libertà. Nota ora come ripagano le nostre tre basi! Ad esempio, per ottenere il tiro DOF, scendiamo semplicemente di un'unità a sinistra, mentre saliamo di un'unità a destra e viceversa per l'altra direzione. È anche importante aver fatto un lavoro sufficientemente buono filtrando il rumore dal tuo touch screen. Questo è fondamentale per avere buoni dati da inserire nel tuo PID.

Passaggio 6: perfeziona e divertiti

La fase di test era in realtà solo per eliminare i bug. Qui, ci concentriamo sulla messa a punto del sistema di controllo. questo è fatto meglio con un algoritmo preimpostato. Il mio preferito è affrontarlo come un problema di smorzamento critico, Ahem! Sono un fisico! Quindi disattivi il termine di smorzamento! Cioè il termine derivato, che agisce come un termine drag. Ora la palla oscillerà selvaggiamente! Tuttavia, l'obiettivo è ottenere che le oscillazioni siano il più vicino possibile all'armonica, senza crescere o decadere, nel miglior modo possibile. Fatto ciò, accendi il termine derivato e aggiusti finché non torna all'equilibrio il più rapidamente possibile. Questo è quando si ottiene uno smorzamento critico. Tuttavia, se questo non funziona, ci sono molti altri schemi di sintonizzazione ben collaudati per i sistemi controllati da PID. L'ho trovato su wikipedia, sotto il controller PID. Grazie mille per aver dato un'occhiata al mio progetto e per qualsiasi domanda, sarò lieto di rispondere a qualsiasi domanda tu abbia. Nota speciale: voglio sottolineare che questo progetto dall'inizio alla fine è stato realizzato da Miracle Max Guerrro e da me in poco meno di quattro settimane, inclusa l'attesa di due settimane per un nuovo schermo bloccato in dogana, dopo il nostro primo rotto. Quindi, per favore, scusa se è tutt'altro che una prestazione perfetta. Felice hacking!