Plataforma de Stewart de balanceamento de bola controlada por PID: 6 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Motivação e conceito geral:

Como um físico em treinamento, sou naturalmente atraído e procuro compreender os sistemas físicos. Fui treinado para resolver problemas complexos dividindo-os em seus ingredientes mais básicos e essenciais e, em seguida, reconstruindo o problema a partir daí. Embora eu tenha aprendido mecânica e eletromagnetismo a partir dos primeiros princípios, ainda não os usei em alguma aplicação física. Finalmente terei essa oportunidade criando um robô que usa a teoria dos controles automáticos para equilibrar uma bola de forma autônoma em uma plataforma plana e totalmente controlada, por conta própria!

Neste como fazer; que se destina ao hacker, programador ou engenheiro tecnicamente experiente, usaremos um Arduino Uno como nossa plataforma de microcontrolador. O loop de feedback fechado começa quando detecta a posição de um rolamento de esferas de metal sólido em uma tela plana resistiva ao toque, que realimenta a posição imediata das esferas. Essa posição é então alimentada em um controlador proporcional-integral-derivativo (PID), que programamos no Arduino Uno. Eu fiz este código-fonte aberto e vinculei no projeto. O controlador tem a tarefa de devolver a bola a qualquer posição escolhida pelo usuário na mesa, mesmo quando significativamente perturbada. A plataforma de suporte estrutural que usaremos é conhecida como “plataforma Stewart” e é suportada por seis bielas independentes acionadas por servo motores que fornecerão até seis graus de liberdade; Traduções X, Y e Z, roll, pitch e yaw (rotações sobre os eixos X, Y e Z respectivamente). Construir e programar uma plataforma altamente móvel apresenta seus próprios desafios, portanto, para este projeto, vamos apenas invocar os graus de liberdade de pitch and roll, deixando os outros como atualizações opcionais de funcionalidade, se o usuário assim desejar. Junto com a plataforma movendo a bola para qualquer um de um conjunto de posições estáticas definidas pelo usuário, os programadores avançados acharão fácil aprimorar o programa e adicionar algum brilho, substituindo nossa posição estática definida pelo usuário, por um traço semicontínuo de um usuário caminho definido, como um oito, trajetória circular, seu nome em letra cursiva ou meu favorito, uma transmissão ao vivo da caneta ou dedo de alguém em seu próprio dispositivo móvel! Feliz hackeamento!

Etapa 1: obter materiais

Materiais necessários:

1. Algumas folhas de acrílico de 1/4 "e 1/8"

2. 6 - Servo Motores (Usamos Servo HS5485HB)

3. 6 - Bielas rosqueadas (ajustáveis)

4. 6 - Servo-braço usinado CNC com vários orifícios para ajuste

5. 12 - Extremidades da haste da junta de Heim

6. 6 - Barras (ajustáveis)

7. Kit USB do painel da tela de toque resistivo com cinco fios de 1- 17 (posição de detecção do rolamento de esferas)

Etapa 2: preparar materiais

A melhor maneira de obter o corte de acrílico é usando uma câmera a laser. O acesso a um pode ser difícil, então o acrílico também pode ser cortado facilmente usando quaisquer ferramentas de corte com as quais você está familiarizado, com o treinamento adequado e pode operar com segurança. Se eu estivesse fazendo isso em casa, por exemplo, usaria uma serra manual. A forma geral da plataforma Stewart não precisa corresponder exatamente ao modelo que construí. No entanto, quero apontar algumas oportunidades de simplificação. Primeiro, é muito mais fácil mapear os graus de liberdade de inclinação e rotação usando três bases, em vez das duas padrão. isso é feito tornando a fixação das bielas na plataforma real um triângulo equilátero. Isso permite que você negligencie todas as complicações de encontrar os graus de liberdade de inclinação e rotação (DOF) do zero, em vez disso, usamos 3 "bases" não linearmente independentes que são simplesmente o mapa daquele canto do triângulo subindo. Seria um desafio para você ou para mim escrever as coordenadas nesta base, mas a interdependência dessas bases é facilmente tratada pelo código. Essa suposição simplificadora é a chave para negligenciar todas as complexidades da geometria. Consulte a imagem do gráfico do MS Paint e a imagem do quadro branco para obter detalhes.

Depois que as peças forem cortadas, você precisará fazer todos os orifícios, que são onde as bielas e as juntas esféricas se conectam. Tenha cuidado para combinar o tamanho do orifício com o hardware adequado que você está usando. Isso é vital para que os fixadores escolhidos funcionem. Os tamanhos dos orifícios baseiam-se no tamanho da rosca de que você precisa para o seu fixador. Para fazer isso, encontre uma referência online para o tamanho específico do macho, passo e tipo de rosca (fino x curso). Recomendo fios de curso para acrílico, mas se for preciso usar fio fino, deve dar certo, já que foi o que usamos mesmo assim. Agora é hora de passar para a montagem.

Etapa 3: reunir materiais

Monte cuidadosamente os materiais de acordo com as especificações. Tenha especial cuidado para não descascar nenhum parafuso. Uma vez feito isso, você terá que mudar o hardware dimensionando e fazendo orifícios maiores e batendo neles, ou você precisará cortar uma nova peça de acrílico. Observe também ter cuidado com a tela de toque resistivo. É frágil !!! Afinal, é uma fina camada de vidro. Observe que também sofremos um acidente.

Etapa 4: Programação

A programação pode demorar algum tempo. É aqui que suas habilidades de programação podem realmente valer a pena. Você não precisa ser capaz de escrever o código do zero, mas se você puder encontrar um código-fonte bem comentado e organizado para modificar, então isso torna a vida muito mais fácil. Aqui está o link para o nosso código-fonte: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, sirva-se! Certamente não está otimizado, mas deu certo! Lembre-se de que estamos usando três bases separadas não ortoganais e não linearmente independentes para o mapa de controles. Estamos simplesmente lendo tudo em x, y e mapeando para A, B e C. Essa resposta é então ajustada globalmente para ajustar o quanto mais ou menos queremos que o sistema responda.

Etapa 5: Teste

Aqui testamos os graus de liberdade. Observe agora como nossas três bases valem a pena! Por exemplo, para obter o DOF de rolagem, simplesmente descemos uma unidade à esquerda, enquanto subimos uma unidade à direita, e vice-versa para a outra direção. Também é importante ter feito um trabalho suficientemente bom ao filtrar o ruído da tela de toque. Isso é vital para ter bons dados para alimentar seu PID.

Etapa 6: Ajuste e aproveite

A fase de teste foi realmente apenas para remover os bugs. Aqui, nos concentramos no ajuste fino do sistema de controles. isso é feito melhor com um algoritmo predefinido. Meu favorito é abordá-lo como um problema crítico de amortecimento, Ahem! Eu sou um físico! Então você desativa o termo de amortecimento! Ou seja, o termo derivado, que atua como um termo de arrasto. Agora a bola vai oscilar descontroladamente! No entanto, o objetivo é fazer com que as oscilações fiquem o mais próximo possível do harmônico, não crescendo ou diminuindo, da melhor maneira possível. Feito isso, você ativa o termo derivativo e ajusta até que ele volte ao equilíbrio o mais rápido possível. É quando o amortecimento crítico é alcançado. No entanto, se isso não funcionar, existem muitos outros esquemas de ajuste comprovados para sistemas controlados por PID. Eu encontrei isso na wikipedia, no controlador PID. Muito obrigado por dar uma olhada em meu projeto e, por favor, entre em contato com qualquer dúvida. Será um prazer responder a todas as suas perguntas. Nota especial: quero ressaltar que este projeto do início ao fim foi feito pelo Miracle Max Guerrro e por mim em pouco menos de quatro semanas, incluindo a espera de duas semanas por uma nova tela que ficou presa na alfândega, após o nosso primeiro quebrado. Então, desculpe, está longe de ser um desempenho perfeito. Feliz hackeamento!