Ball Balancer e PID Fiddler: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Questo progetto è presentato per le persone che hanno esperienza con l'uso di Arduino. Sarà utile una conoscenza precedente dell'uso di servi, display OLED, pentole, pulsanti, saldatura. Questo progetto utilizza parti stampate in 3D.

Ball Balancer è un banco di prova PID per sperimentare la regolazione PID. PID Fiddler è un telecomando per la regolazione della sintonizzazione PID.

Un PID viene utilizzato quando è necessario un maggiore controllo del movimento. Un buon esempio è un robot di bilanciamento. Il robot deve apportare piccole regolazioni per mantenere l'equilibrio e una risposta rapida per riprendersi se incontra un urto o una spinta. Un PID può essere utilizzato per regolare la risposta dei motori delle ruote per mantenere l'equilibrio.

Un PID richiede il feedback da un sensore. Un robot di bilanciamento utilizza giroscopi e accelerometri per misurare l'angolo assoluto del robot. L'uscita del sensore viene utilizzata dal PID per controllare i motori per mantenere l'equilibrio.

Allora perché ho realizzato un noioso bilanciatore di sfere? Certo è bello, ma i robot di bilanciamento si ribaltano quando non sono sintonizzati correttamente. I robot di bilanciamento non sono il dispositivo migliore per sperimentare la sintonizzazione PID. Il ball balancer è molto più stabile ed è un buon strumento visivo per vedere gli effetti della regolazione PID. La conoscenza acquisita dalla messa a punto del bilanciatore a sfera può essere applicata alla messa a punto di un robot di bilanciamento.

Il Ball Balancer è un binario su un punto di articolazione. Sul binario c'è una palla che si muove avanti e indietro sul binario quando il binario viene ribaltato. La guida è inclinata con un servo. All'estremità del binario c'è un sensore che misura la distanza della palla dal sensore. L'input al PID è la distanza della sfera dal sensore e l'output del PID è il servo che inclina la rotaia e muove la sfera.

Sto usando la libreria PID di Arduino.

Il violinista PID è quello che uso per mettere a punto i valori PID. Non ne hai bisogno, ma aiuta. Il violinista PID è remoto dal Ball Balancer, si collega con solo due fili e può essere collegato e scollegato mentre il Ball Balancer è in funzione. Una volta individuati i valori migliori, i valori possono essere codificati nel disegno del progetto.

Lo sforzo extra di rendere il Fiddler PID ripaga nel tempo necessario per apportare modifiche di ottimizzazione al PID. Puoi vedere rapidamente i risultati delle tue modifiche. E può essere riutilizzato su progetti futuri che utilizzano PID. Per non parlare del fatto che è divertente da costruire e ha un bell'aspetto!

Fase 1: Bilanciatore a sfera - Parti

Parti stampate in 3D trovate qui:

(Le istruzioni di montaggio si trovano nelle istruzioni di post-stampa nel link sopra)

Angolo in alluminio 1 - 1" x 1/8", tagliato a una lunghezza di 500 mm.

1 - Sensore di distanza del tempo di volo Adafruit VL53L0X:

1 - Servo Hobby con squadretta

1 - Cavo rigido per collegamento (circa 7 mm)

- Varie Viti di montaggio

1- Arduino Uno

2 - LED (rosso, verde)

3 - Resistenze da 330 Ohm

- Varie Ponticelli e breadboard

- Vernice spray nera piatta

1 - Pallina da ping pong bianca

Fase 2: Bilanciatore a sfera - Assemblaggio

Le istruzioni di montaggio per il Ball Balancer si trovano qui:

Alcuni suggerimenti aggiuntivi:

Spruzzare la vernice nera piatta all'interno del binario per ridurre l'errore del sensore.

Collegamento (mostrato nella foto sopra):

- Utilizzare un cavo rigido di circa 7 mm di lunghezza per il collegamento tra la squadretta del servocomando e la staffa del sensore.

- Livellare il binario, posizionare la squadretta di comando orizzontale nel punto centrale del movimento del servo (valore servo 90).

- Piegare un piccolo cappio nella parte superiore del filo e una piega a forma di z nella parte inferiore del filo.

- Inserire l'estremità z nella squadretta di controllo, segnare il punto al centro dell'anello sulla staffa del sensore.

- Praticare un piccolo foro e utilizzare una piccola vite per fissare il cavo alla staffa del sensore.

Passaggio 3: cablaggio del bilanciamento della sfera e schizzo di Arduino

Fare riferimento all'immagine sopra per il cablaggio.

Utilizzare un alimentatore separato per il servo. Potrebbe trattarsi di un alimentatore da banco o di un pacco batteria. Sto usando un alimentatore da banco impostato a 5V.

Il violinista PID sarà collegato tramite due fili, uno al Pin 1 (RX seriale) e uno a terra.

Lo schizzo è fornito.

Note sullo schizzo: il valore del punto di regolazione cambierà da 200 mm a 300 mm ogni 15 secondi. È utile utilizzare il monitor seriale sull'IDE Arduino per vedere l'uscita del sensore.

Fase 4: PID Fiddler 2 - Parti

Scudo e manopole stampati in 3D si trovano qui:

Pentole da 4 - 10 Kohm

1- Pulsanti di contatto momentanei:

1- Display grafico OLED I2C monocromatico Adafruit 128x32:

1- Arduino Uno

- varie ping dell'intestazione (.1 pollici), morsettiere, cavo di collegamento

Passaggio 5: Pid Fiddler 2 - Cablaggio, assemblaggio e schizzo di Arduino

Utilizzare lo schema elettrico per il cablaggio della schermatura.

Suggerimenti per il montaggio:

- Per suggerimenti su come realizzare circuiti stampati personalizzati, vedere il mio istruibile:

- Intestazioni super colla sullo scudo stampato in 3D.

- Io uso il filo di avvolgimento del filo.

- Utilizzare pentole con fondo quadrato e tagliare le linguette di montaggio, incollarle a caldo in posizione.

- I componenti sono saldati. Usa l'intestazione femmina per l'OLED e l'OLED può essere facilmente scollegato e rimosso per l'uso in altri progetti.

Note di schizzo:

- Collegare un filo dalla morsettiera (cablata al pin 2, TX) al pin 1 (seriale RX) del Ball Balancer Arduino. Collegare un filo tra la morsettiera (massa) alla massa del Ball Balancer Arduino.

- Tenere premuto il pulsante, regolare le manopole per regolare le impostazioni PID, rilasciare il pulsante per inviare i valori al Ball Balancer.

Passaggio 6: utilizzo di Ball Balancer e PID Fiddler

Non resta che iniziare a giocarci!

- Posizionare la palla sul binario.

- Tenere premuto il pulsante sul PID Fiddler, impostare P, I e D su zero, ST su 200 per iniziare.

- Il servo smetterà di rispondere.

- Ora inizia a sperimentare con diversi valori P, I e D per vedere come influenzano la risposta e il movimento della palla.

- Prova a modificare i valori per il tempo di campionamento (ST). Il tempo di campionamento è il tempo in millisecondi in cui viene raccolto l'input. I valori vengono mediati nel tempo di campionamento. L'uscita del sensore di un obiettivo fermo varierà di una piccola quantità. Se il tempo di campionamento è troppo piccolo, l'uscita del PID sarà "jitter". Il PID sta cercando di correggere il rumore nelle letture del sensore. L'utilizzo di tempi di campionamento più lunghi ridurrà il rumore, ma l'uscita del PID diventerà a scatti.

Passaggio 7:

Non usato