Platform Stewart Balancing Bola Terkendali PID: 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Motivasi dan Konsep Keseluruhan:

Sebagai fisikawan dalam pelatihan, saya secara alami tertarik, dan berusaha memahami sistem fisik. Saya telah dilatih untuk memecahkan masalah yang kompleks dengan memecahnya menjadi bahan yang paling dasar dan esensial, kemudian membangun kembali masalah dari sana. Meskipun saya telah mempelajari mekanika dan elektromagnetisme dari prinsip pertama, saya belum menggunakannya dalam beberapa aplikasi fisik. Saya akhirnya akan mendapatkan kesempatan ini dengan membuat robot yang menggunakan teori kontrol otomatis untuk menyeimbangkan bola secara mandiri di platform yang datar dan terkontrol sepenuhnya, semuanya dengan sendirinya!

Dalam cara ini; yang dimaksudkan untuk peretas, pemrogram, atau insinyur yang paham teknis, kami akan menggunakan Arduino Uno sebagai platform mikrokontroler kami. Loop umpan balik tertutup pertama dimulai ketika merasakan posisi bantalan bola logam padat yang terletak di layar resistif sentuh datar, yang mengumpan balik posisi langsung bola. Posisi ini kemudian dimasukkan ke dalam pengontrol proporsional-integral-derivatif (PID), yang telah kami programkan ke dalam Arduino Uno. Saya telah membuat kode ini open source dan ditautkan dalam proyek. Kontroler bertugas mengembalikan bola ke posisi yang dipilih pengguna di atas meja, bahkan ketika terganggu secara signifikan. Platform pendukung struktural yang akan kami gunakan dikenal sebagai “platform Stewart”, dan didukung oleh enam batang penghubung independen yang digerakkan oleh motor servo yang akan memberikan kebebasan hingga enam derajat; Terjemahan X, Y dan Z, roll, pitch dan yaw (rotasi terhadap sumbu X, Y, dan Z masing-masing). Membangun dan memprogram platform yang sangat mobile menghadirkan tantangannya sendiri, jadi untuk proyek ini, kami hanya akan memanggil derajat kebebasan pitch and roll, meninggalkan yang lain sebagai peningkatan fungsionalitas opsional, jika pengguna menginginkannya. Seiring dengan platform yang memindahkan bola ke salah satu dari serangkaian posisi statis yang ditentukan pengguna, pemrogram tingkat lanjut akan merasa mudah untuk meningkatkan program dan menambahkan beberapa kepanikan dengan mengganti posisi statis yang ditentukan pengguna, dengan jejak semi-kontinyu dari pengguna jalur yang ditentukan, seperti angka delapan, lintasan melingkar, nama Anda di kursif, atau favorit saya streaming langsung stylus atau jari seseorang di perangkat seluler mereka sendiri! Selamat meretas!

Langkah 1: Dapatkan Bahan

Bahan yang Dibutuhkan:

1. Beberapa lembar Akrilik 1/4" dan 1/8"

2. 6 - Motor Servo (Kami menggunakan Servo HS5485HB)

3. 6 - Batang Penghubung Berulir (Dapat Disesuaikan)

4. 6 - Lengan Servo Mesin CNC dengan banyak lubang untuk penyesuaian

5. 12 - Heim Joint Rod Berakhir

6. 6 - Batang (Dapat Disesuaikan)

7. Kit USB Panel Layar Sentuh Resistif Lima Kawat 1- 17” (posisi indera bantalan bola)

Langkah 2: Siapkan Bahan

Cara terbaik untuk mendapatkan potongan akrilik adalah dengan menggunakan kamera laser. Akses ke satu bisa sulit, sehingga akrilik juga dapat dengan mudah dipotong menggunakan alat pemotong apa pun yang Anda kenal, terlatih dengan baik, dan dapat beroperasi dengan aman. Jika saya melakukan ini di rumah misalnya, saya akan menggunakan gergaji tangan. Bentuk keseluruhan platform Stewart tidak harus sama persis dengan model yang saya buat. Namun, saya ingin menunjukkan beberapa peluang penyederhanaan. Pertama, jauh lebih mudah untuk memetakan derajat kebebasan pitch and roll dengan menggunakan tiga basis, daripada dua standar. ini dilakukan dengan membuat sambungan batang penghubung ke platform sebenarnya menjadi segitiga sama sisi. Ini memungkinkan Anda untuk mengabaikan semua kerumitan dalam menemukan derajat kebebasan pitch and roll (DOF) dari awal, alih-alih kami menggunakan 3 "basis" non-linier independen yang hanya merupakan peta dari sudut segitiga yang naik. Ini akan menjadi tantangan bagi Anda atau saya untuk menulis koordinat dalam basis ini, tetapi ketergantungan basis ini dengan mudah ditangani oleh kode. Asumsi penyederhanaan ini adalah kunci untuk mengabaikan semua kerumitan geometri. Lihat gambar grafik MS Paint dan gambar papan tulis untuk detailnya.

Setelah potongan dipotong, Anda perlu mengebor semua lubang, di situlah batang penghubung dan sambungan bola terhubung. Berhati-hatilah untuk mencocokkan ukuran lubang dengan perangkat keras yang tepat yang Anda gunakan. Ini penting agar pengencang yang Anda pilih berfungsi. Ukuran lubang didasarkan pada ukuran keran yang Anda perlukan untuk pengikat Anda. Untuk melakukan ini, temukan referensi online untuk ukuran ketukan, nada, dan jenis utas tertentu (halus vs saja). Saya merekomendasikan benang kursus untuk akrilik, tetapi jika Anda harus menggunakan benang halus, itu akan berhasil, karena itulah yang kami gunakan. Sekarang saatnya untuk beralih ke perakitan.

Langkah 3: Merakit Bahan

Rakit bahan dengan hati-hati sesuai spesifikasi. Berhati-hatilah untuk tidak melepaskan sekrup apa pun. Setelah ini selesai, Anda harus mengganti perangkat keras dengan mengukur dan mengebor lubang yang lebih besar dan mengetuknya, atau Anda harus memotong bagian akrilik yang sama sekali baru. Perhatikan juga untuk berhati-hati dengan layar sentuh resistif. Itu rapuh!!! Bagaimanapun, ini adalah lapisan kaca yang tipis. Perhatikan bahwa kami mengalami kecelakaan sendiri.

Langkah 4: Pemrograman

Pemrograman dapat memakan waktu. Di sinilah keterampilan pemrograman Anda benar-benar dapat membuahkan hasil. Anda tidak perlu dapat menulis kode dari awal, tetapi jika Anda dapat menemukan kode sumber yang dikomentari dengan baik dan terorganisir untuk dimodifikasi, maka itu membuat hidup menjadi lebih mudah. Berikut ini tautan ke kode sumber kami: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, bantu diri Anda sendiri! Ini tentu saja tidak dioptimalkan, tetapi menyelesaikan pekerjaan! Ingatlah bahwa kita menggunakan tiga basis independen non-ortoganal, non-linier yang terpisah untuk peta kontrol. Kami hanya membaca semuanya dalam x, y dan pemetaan ke A, B, dan C. Respons ini kemudian disetel secara global untuk menyesuaikan seberapa banyak kita ingin sistem merespons.

Langkah 5: Pengujian

Di sini kita menguji derajat kebebasan. Perhatikan sekarang bagaimana tiga basis kami terbayar! Misalnya, untuk mendapatkan DOF roll, kita cukup turun satu unit di sebelah kiri, sementara naik satu unit di sebelah kanan, dan sebaliknya untuk arah yang lain. Penting juga untuk melakukan penyaringan kebisingan yang cukup baik dari layar sentuh Anda. Ini sangat penting untuk memiliki data yang baik untuk dimasukkan ke dalam PID Anda.

Langkah 6: Sempurnakan dan Nikmati

Fase pengujian benar-benar hanya untuk menghilangkan bug. Di sini, kami fokus pada penyempurnaan sistem kontrol. ini dilakukan paling baik dengan algoritma preset. Favorit saya adalah mendekatinya seperti masalah peredam kritis, Ahem! Saya seorang fisikawan! Jadi Anda mematikan istilah peredam! Yaitu istilah turunan, yang bertindak seperti istilah drag. Sekarang bola akan berosilasi liar! Namun, tujuannya adalah untuk mendapatkan osilasi sedekat mungkin dengan harmonik, tidak tumbuh atau membusuk, sebaik mungkin. Setelah selesai, Anda mengaktifkan suku turunan, dan menyesuaikannya hingga kembali ke keseimbangan secepat mungkin. Ini adalah saat peredam kritis tercapai. Namun, jika ini tidak berhasil, ada banyak skema penyetelan lain yang terbukti baik untuk sistem yang dikontrol PID. Saya menemukan ini di wikipedia, di bawah pengontrol PID. Terima kasih banyak telah melihat proyek saya, dan silakan hubungi jika ada pertanyaan, saya akan dengan senang hati menjawab pertanyaan Anda. Catatan khusus: Saya ingin menunjukkan bahwa proyek ini dari awal hingga akhir dilakukan oleh Miracle Max Guerrro, dan saya sendiri hanya dalam waktu kurang dari empat minggu, termasuk menunggu dua minggu untuk layar baru yang macet di bea cukai, setelah yang pertama bangkrut. Jadi mohon dimaklumi kinerjanya jauh dari sempurna. Selamat meretas!