Balanceador de bolas e PID Fiddler: 7 etapas (com fotos)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-23 15:03

Este projeto é apresentado para pessoas com experiência no uso de um Arduino. O conhecimento prévio do uso de servos, displays OLED, potenciômetros, botões, solda, será útil. Este projeto usa peças impressas em 3D.

Ball Balancer é um equipamento de teste PID para experimentar o ajuste de PID. PID Fiddler é um controle remoto para ajustar a sintonia PID.

Um PID é usado quando você precisa de mais controle do movimento. Um bom exemplo é um robô de equilíbrio. O robô precisa fazer pequenos ajustes para manter o equilíbrio e uma resposta rápida para se conter se encontrar um solavanco ou empurrão. Um PID pode ser usado para ajustar a resposta dos motores das rodas para manter o equilíbrio.

Um PID requer feedback de um sensor. Um robô de equilíbrio usa giroscópios e acelerômetros para medir o ângulo absoluto do robô. A saída do sensor é usada pelo PID para controlar os motores para manter o equilíbrio.

Então, por que fiz um balanceador de bolas chato? Claro que é legal, mas os robôs de equilíbrio tombam quando não estão ajustados corretamente. Os robôs de balanceamento não são o melhor dispositivo para experimentar o ajuste de PID. O balanceador de bola é muito mais estável e é uma boa ferramenta visual para ver os efeitos do ajuste do PID. O conhecimento obtido com o ajuste do balanceador de bola pode ser aplicado ao ajuste de um robô de balanceamento.

O Ball Balancer é um trilho em um ponto pivô. No trilho está uma bola que se move para frente e para trás no trilho quando o trilho é inclinado. O trilho é inclinado com um servo. Na extremidade do trilho está um sensor que mede a distância da bola do sensor. A entrada para o PID é a distância da bola do sensor, e a saída do PID é o servo que inclina o trilho e move a bola.

Estou usando a biblioteca Arduino PID.

O PID Fiddler é o que eu uso para ajustar os valores PID. Você não precisa de um, mas ajuda. O PID Fiddler é remoto do balanceador de bolas, ele se conecta com apenas dois fios e pode ser conectado e desconectado enquanto o balanceador de bolas está funcionando. Depois de encontrar os melhores valores, os valores podem ser codificados no esboço do projeto.

O esforço extra de fazer o PID Fiddler compensa no tempo que leva para fazer alterações de ajuste no PID. Você pode ver rapidamente os resultados de suas alterações. E pode ser reutilizado em projetos futuros que usem PIDs. Sem mencionar que é divertido de construir e parece legal!

Etapa 1: Balanceador de bolas - Peças

Peças impressas em 3D encontradas aqui:

(As instruções de montagem podem ser encontradas nas instruções de pós-impressão no link acima)

Ângulo de alumínio de 1 - 1 "x 1/8", corte em 500 mm de comprimento.

1 - Sensor de Tempo de Distância de Voo Adafruit VL53L0X:

1 - Servo Hobby com chifre de controle

1 - Arame rígido para ligação (cerca de 7 mm)

- Misc. Parafusos de montagem

1- Arduino Uno

2 - LEDs (vermelho, verde)

3 - resistores de 330 Ohm

- Misc. Fios de ligação e placa de ensaio

- Tinta spray preta plana

1 - Bola branca de pingue-pongue

Etapa 2: Balanceador de Esferas - Montagem

As instruções de montagem do Ball Balancer podem ser encontradas aqui:

Algumas dicas adicionais:

Pinte o interior do trilho com tinta preta plana para reduzir o erro do sensor.

Ligação (mostrado na imagem acima):

- Use um fio rígido com cerca de 7 mm de comprimento para ligação entre a sirene de controle do servo e o suporte do sensor.

- Nivele o trilho, coloque a buzina de controle horizontal no ponto médio do movimento do servo (valor do servo 90).

- Dobre um pequeno laço na parte superior do fio e uma dobra em forma de z na parte inferior do fio.

- Coloque a extremidade z na buzina de controle, marque o ponto no centro do laço no suporte do sensor.

- Faça um pequeno orifício e use um pequeno parafuso para prender o fio ao suporte do sensor.

Etapa 3: Fiação do balanceador de bolas e esboço do Arduino

Consulte a imagem acima para a fiação.

Use uma fonte de alimentação separada para o servo. Pode ser uma fonte de alimentação de bancada ou bateria. Estou usando uma fonte de alimentação de bancada configurada para 5V.

O PID Fiddler será conectado por dois fios, um ao Pino 1 (Serial RX) e um ao aterramento.

O esboço é fornecido.

Notas de esboço: O valor do ponto de ajuste mudará de 200 mm a 300 mm a cada 15 segundos. É útil usar o Serial Monitor no Arduino IDE para ver a saída do sensor.

Etapa 4: PID Fiddler 2 - Peças

O escudo e os botões impressos em 3D podem ser encontrados aqui:

4 - 10 potes de Kohm

1- Botões de contato momentâneo:

1- Tela gráfica OLED Adafruit Monocromático 128x32 I2C:

1- Arduino Uno

- misc. cabeçalho de ping (0,1 pol.), blocos de terminais, fio de conexão

Etapa 5: Pid Fiddler 2 - Fiação, Montagem e Sketch do Arduino

Use o diagrama de fiação para a fiação da blindagem.

Dicas de montagem:

- Para obter dicas sobre como fazer placas de circuito personalizadas, consulte meu instrutível:

- Cabeçalhos de super cola no escudo impresso em 3D.

- Eu uso fio de arame.

- Use vasos de fundo quadrado e corte as abas de montagem, cole-as com cola quente no lugar.

- Os componentes são soldados. Use o cabeçalho fêmea para o OLED, e o OLED pode ser facilmente desconectado e removido para uso em outros projetos.

Notas de esboço:

- Conecte um fio do bloco de terminais (conectado ao pino 2, TX) ao pino 1 (RX serial) do Ball Balancer Arduino. Conecte um fio entre o bloco de terminais (terra) e o terra do Ball Balancer Arduino.

- Mantenha pressionado o botão, ajuste os botões para ajustar as configurações de PID, solte o botão para enviar os valores para o balanceador de bolas.

Etapa 6: usando o balanceador de bolas e o PID Fiddler

Só falta começar a brincar com ele!

- Coloque a bola no trilho.

- Mantenha o botão pressionado no PID Fiddler, defina P, I e D como zero, ST como 200 para iniciar.

- O servo irá parar de responder.

- Agora comece a experimentar diferentes valores de P, I e D para ver como isso afeta a resposta e o movimento da bola.

- Tente alterar os valores para Sample Time (ST). O tempo de amostra é o tempo em milissegundos que a entrada é coletada. Os valores são calculados em média ao longo do tempo de amostra. A saída do sensor de um alvo estático irá variar um pouco. Se o tempo de amostragem for muito pequeno, a saída do PID irá "tremer". O PID está tentando corrigir o ruído nas leituras do sensor. Usar tempos de amostragem mais longos suavizará o ruído, mas a saída do PID ficará irregular.

Etapa 7:

Não usado