Stewart-Plattform mit PID-gesteuertem Ballausgleich - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Motivation und Gesamtkonzept:

Als Physiker in Ausbildung fühle ich mich von Natur aus angezogen und versuche, physikalische Systeme zu verstehen. Ich wurde darin geschult, komplexe Probleme zu lösen, indem ich sie in ihre grundlegendsten und wichtigsten Bestandteile zerlege und dann das Problem von dort aus wieder aufbaue. Obwohl ich Mechanik und Elektromagnetismus nach den ersten Prinzipien gelernt habe, muss ich sie noch in einer physikalischen Anwendung anwenden. Ich werde endlich diese Gelegenheit bekommen, indem ich einen Roboter entwickle, der die Theorie der automatischen Steuerung verwendet, um einen Ball auf einer flachen, vollständig kontrollierten Plattform autonom zu balancieren, ganz allein!

In dieser Anleitung; was für technisch versierte Hacker, Programmierer oder Ingenieure gedacht ist, verwenden wir ein Arduino Uno als Mikrocontroller-Plattform. Die geschlossene Rückkopplungsschleife beginnt zuerst, wenn sie die Position eines massiven Metallkugellagers erfasst, das auf einem flachen berührungsresistiven Bildschirm liegt, das die unmittelbare Position der Kugeln zurückmeldet. Diese Position wird dann in einen Proportional-Integral-Derivative (PID)-Regler eingespeist, den wir in den Arduino Uno programmiert haben. Ich habe diesen Code Open Source gemacht und im Projekt verlinkt. Der Controller hat die Aufgabe, den Ball in jede vom Benutzer gewählte Position auf dem Tisch zurückzubringen, selbst wenn er erheblich gestört ist. Die von uns verwendete strukturelle Stützplattform ist als "Stewart-Plattform" bekannt und wird von sechs unabhängigen Pleuelstangen getragen, die von Servomotoren angetrieben werden, die bis zu sechs Freiheitsgrade bieten; X-, Y- und Z-Translationen, Rollen, Nicken und Gieren (Rotationen um die X-, Y- bzw. Z-Achse). Der Aufbau und die Programmierung einer solch hochmobilen Plattform stellen ihre eigenen Herausforderungen dar, daher werden wir für dieses Projekt nur die Pitch- und Roll-Freiheitsgrade verwenden und die anderen als optionale Erweiterungen der Funktionalität belassen, wenn der Benutzer dies wünscht. Zusammen mit der Plattform, die den Ball in eine Reihe von statischen benutzerdefinierten Positionen bewegt, werden fortgeschrittene Programmierer es leicht finden, das Programm zu verbessern und etwas Schwung hinzuzufügen, indem sie unsere statische, benutzerdefinierte Position durch eine halbkontinuierliche Spur eines Benutzers ersetzen definierter Pfad, z. B. eine Acht, eine kreisförmige Flugbahn, Ihr Name in Kursivschrift oder mein Favorit ein Live-Stream des Stifts oder Fingers einer Person auf ihrem eigenen Mobilgerät! Viel Spaß beim Hacken!

Schritt 1: Materialien besorgen

Benötigte Materialien:

1. Ein paar Blätter 1/4" und 1/8" Acryl

2. 6 - Servomotoren (Wir haben HS5485HB Servos verwendet)

3. 6 - (einstellbare) Pleuelstangen mit Gewinde

4. 6 - CNC-gefräste Servoarme mit mehreren Löchern für die Einstellbarkeit

5. 12 - Heim Gelenkstangenköpfe

6. 6 - Stangen (einstellbar)

7. USB-Kit mit 1–17”-Fünf-Draht-Widerstands-Touchscreen (Erkennung der Position des Kugellagers)

Schritt 2: Materialien vorbereiten

Der Acrylschnitt gelingt am besten mit einer Laserkamera. Der Zugang zu einem kann schwierig sein, daher kann das Acryl auch leicht mit allen Schneidwerkzeugen geschnitten werden, mit denen Sie vertraut sind, richtig geschult sind und sicher arbeiten können. Wenn ich das zum Beispiel zu Hause machen würde, würde ich eine Hand-Kappsäge verwenden. Die Gesamtform der Stewart-Plattform muss nicht genau mit dem von mir gebauten Modell übereinstimmen. Ich möchte jedoch auf einige Vereinfachungsmöglichkeiten hinweisen. Erstens ist es viel einfacher, die Nick- und Rollfreiheitsgrade abzubilden, indem drei statt der standardmäßigen zwei verwendet werden. Dies geschieht, indem die Befestigung der Pleuelstangen an der eigentlichen Plattform zu einem gleichseitigen Dreieck gemacht wird. Auf diese Weise können Sie alle Komplikationen beim Ermitteln der Nick- und Rollfreiheitsgrade (DOF) von Grund auf vernachlässigen, stattdessen verwenden wir 3 nichtlinear unabhängige "Basis", die einfach die Abbildung der Ecke des Dreiecks sind, die nach oben geht. Dies wäre für Sie oder mich eine Herausforderung, Koordinaten in diese Basis zu schreiben, aber die gegenseitige Abhängigkeit dieser Basis wird durch den Code leicht gehandhabt. Diese vereinfachende Annahme ist der Schlüssel, um alle Feinheiten der Geometrie zu vernachlässigen. Weitere Informationen finden Sie im Bild MS Paint-Grafik und Whiteboard-Bild.

Sobald die Stücke geschnitten sind, müssen Sie alle Löcher bohren, an denen Ihre Pleuelstangen und Kugelgelenke angeschlossen sind. Achten Sie darauf, die Lochgröße an die richtige Hardware anzupassen, die Sie verwenden. Dies ist wichtig, damit die von Ihnen gewählten Befestigungselemente funktionieren. Die Lochgrößen richten sich nach der Gewindebohrergröße, die Sie für Ihr Befestigungselement benötigen. Suchen Sie dazu eine Online-Referenz für die jeweilige Gewindebohrergröße, Steigung und Gewindeart (fein vs. grob). Ich empfehle natürlich Garne für Acryl, aber wenn Sie feine Garne verwenden müssen, sollte es klappen, da wir das sowieso verwendet haben. Jetzt geht es an die Montage.

Schritt 3: Materialien zusammenbauen

Montieren Sie die Materialien sorgfältig nach Spezifikation. Achten Sie besonders darauf, keine Schrauben abzureißen. Sobald dies erledigt ist, müssen Sie entweder die Hardware ändern, indem Sie größere Löcher bohren und darauf tippen, oder Sie müssen ein ganz neues Stück Acryl schneiden. Beachten Sie, dass Sie auch mit dem berührungsresistenten Bildschirm vorsichtig sein müssen. Es ist zerbrechlich!!! Es ist schließlich eine dünne Glasschicht. Beachten Sie, dass wir selbst einen Unfall hatten.

Schritt 4: Programmierung

Die Programmierung kann einige Zeit in Anspruch nehmen. Hier können sich Ihre Programmierkenntnisse wirklich auszahlen. Sie müssen nicht in der Lage sein, den Code von Grund auf neu zu schreiben, aber wenn Sie einen gut kommentierten und organisierten Quellcode zum Ändern finden, macht das das Leben viel einfacher. Hier der Link zu unserem Quellcode: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, hilf dir selbst! Es ist sicherlich nicht optimiert, aber es hat die Arbeit erledigt! Denken Sie daran, dass wir drei separate nicht-orthogonale, nicht-linear unabhängige Basis für die Kontrollen-Map verwenden. Wir lesen einfach alles in x, y und bilden A, B und C ab. Diese Antwort wird dann global abgestimmt, um anzupassen, wie viel mehr oder weniger das System reagieren soll.

Schritt 5: Testen

Hier testen wir die Freiheitsgrade. Merken Sie sich jetzt, wie sich unsere drei Basis auszahlt! Um zum Beispiel den Roll-DOF zu erhalten, gehen wir einfach links eine Einheit nach unten, während wir rechts eine Einheit nach oben gehen und umgekehrt für die andere Richtung. Es ist auch wichtig, dass Sie das Rauschen Ihres Touchscreens ausreichend gut filtern. Dies ist wichtig, um gute Daten zu haben, die in Ihre PID eingespeist werden können.

Schritt 6: Feinabstimmung und genießen

Die Testphase war wirklich nur, um die Fehler zu beseitigen. Hier konzentrieren wir uns auf die Feinabstimmung der Steuerung. Dies geschieht am besten mit einem voreingestellten Algorithmus. Mein Favorit ist es, es wie ein kritisches Dämpfungsproblem anzugehen, ähem! Ich bin Physiker! Also schaltest du den Dämpfungsterm aus! Dh der Ableitungsterm, der wie ein Schleppterm wirkt. Jetzt wird der Ball wild schwingen! Das Ziel besteht jedoch darin, die Schwingungen so nah wie möglich an die Harmonischen zu bringen und nicht zu wachsen oder abzuklingen, so gut es geht. Sobald dies erledigt ist, schalten Sie den Ableitungsterm ein und passen ihn an, bis er so schnell wie möglich wieder im Gleichgewicht ist. Dies ist, wenn eine kritische Dämpfung erreicht wird. Wenn dies jedoch nicht funktioniert, gibt es viele andere bewährte Tuning-Schemata für PID-geregelte Systeme. Ich habe dies auf Wikipedia unter PID-Regler gefunden. Vielen Dank, dass Sie sich mein Projekt angeschaut haben. Bei Fragen wenden Sie sich bitte an mich, ich beantworte gerne alle Ihre Fragen. Besonderer Hinweis: Ich möchte darauf hinweisen, dass dieses Projekt von Anfang bis Ende vom Miracle Max Guerrro und mir in knapp vier Wochen durchgeführt wurde, einschließlich des Wartens von zwei Wochen auf einen neuen Bildschirm, der nach unserem ersten im Zoll feststeckte Pleite. Entschuldigen Sie also bitte, dass es weit von einer perfekten Leistung entfernt ist. Viel Spaß beim Hacken!