Plataforma Stewart de balanceo de bolas controlada por PID: 6 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Motivación y concepto general:

Como físico en formación, me atraen naturalmente y busco comprender los sistemas físicos. Me han capacitado para resolver problemas complejos dividiéndolos en sus ingredientes más básicos y esenciales, y luego reconstruyendo el problema desde allí. Aunque he estado aprendiendo mecánica y electromagnetismo desde los primeros principios, todavía tengo que usarlos en alguna aplicación física. Finalmente tendré esta oportunidad al crear un robot que usa la teoría de los controles automáticos para equilibrar de forma autónoma una pelota en una plataforma plana y totalmente controlada, ¡todo por sí solo!

En este cómo hacerlo; que está destinado al hacker, programador o ingeniero con conocimientos técnicos, utilizaremos un Arduino Uno como nuestra plataforma de microcontroladores. El circuito de retroalimentación cerrado comienza por primera vez cuando detecta la posición de un cojinete de bolas de metal sólido que se encuentra en una pantalla resistiva táctil plana, que retroalimenta la posición inmediata de las bolas. Esta posición luego se alimenta a un controlador proporcional-integral-derivado (PID), que hemos programado en el Arduino Uno. Hice este código de código abierto y lo vinculé en el proyecto. El controlador tiene la tarea de restaurar la pelota a cualquier posición elegida por el usuario en la mesa, incluso cuando está significativamente perturbado. La plataforma de soporte estructural que usaremos se conoce como “plataforma Stewart” y está apoyada por seis bielas independientes accionadas por servomotores que proporcionarán hasta seis grados de libertad; Traslaciones X, Y y Z, balanceo, cabeceo y guiñada (rotaciones sobre los ejes X, Y y Z respectivamente). La construcción y programación de una plataforma tan móvil presenta sus propios desafíos, por lo que para este proyecto, solo recurriremos a los grados de libertad de cabeceo y balanceo, dejando los demás como actualizaciones opcionales de funcionalidad, si el usuario así lo desea. Junto con la plataforma que mueve la pelota a cualquiera de un conjunto de posiciones estáticas definidas por el usuario, a los programadores avanzados les resultará fácil mejorar el programa y agregar algo de estilo al reemplazar nuestra posición estática definida por el usuario, con un rastro semicontinuo de un usuario. ruta definida, como una figura en ocho, trayectoria circular, su nombre en cursiva, o mi favorito, una transmisión en vivo del lápiz óptico o el dedo de alguien en su propio dispositivo móvil. ¡Feliz piratería!

Paso 1: Obtenga materiales

Materiales necesitados:

1. Algunas hojas de acrílico de 1/4 "y 1/8"

2. 6 - Servomotores (utilizamos servos HS5485HB)

3. 6 - Varillas de conexión roscadas (ajustables)

4. 6 - Servobrazos mecanizados por CNC con múltiples orificios para ajuste

5. 12 - Extremos de varilla de junta Heim

6. 6 - Varillas (ajustables)

7. Kit USB de panel de pantalla táctil resistiva de cinco cables de 1 a 17”(detectar la posición del rodamiento de bolas)

Paso 2: preparar los materiales

La mejor manera de obtener el corte acrílico es usando una cámara láser. El acceso a uno puede ser difícil, por lo que el acrílico también se puede cortar fácilmente con cualquier herramienta de corte con la que esté familiarizado, con la capacitación adecuada y que pueda operar de manera segura. Si estuviera haciendo esto en casa, por ejemplo, usaría una sierra de mano. La forma general de la plataforma Stewart no tiene por qué coincidir exactamente con el modelo que construí. Sin embargo, quiero señalar algunas oportunidades de simplificación. Primero, es mucho más fácil mapear los grados de libertad de cabeceo y balanceo usando tres bases, en lugar de las dos estándar. esto se hace haciendo que la unión de las bielas a la plataforma real sea un triángulo equilátero. Esto le permite descuidar todas las complicaciones de encontrar los grados de libertad de cabeceo y balanceo (DOF) desde cero, en su lugar usamos 3 "bases" no linealmente independientes que son simplemente el mapa de esa esquina del triángulo que va hacia arriba. Esto sería un desafío para usted o para mí escribir las coordenadas en esta base, pero el código maneja fácilmente la interdependencia de estas bases. Esta suposición simplificadora es clave para descuidar todas las complejidades de la geometría. Consulte la imagen del gráfico y la pizarra de MS Paint para obtener más detalles.

Una vez que se cortan las piezas, deberá perforar todos los agujeros, que es donde se conectan las bielas y las articulaciones esféricas. Tenga cuidado de hacer coincidir el tamaño del orificio con el hardware adecuado que esté utilizando. Esto es vital para que los sujetadores elegidos funcionen. Los tamaños de los orificios se basan en el tamaño de grifo que necesitará para su sujetador. Para hacer esto, busque una referencia en línea para el tamaño específico del grifo, el paso y el tipo de rosca (fino frente a curso). Recomiendo hilos de curso para acrílico, pero si debe usar hilo fino, debería funcionar, ya que eso es lo que usamos de todos modos. Ahora es el momento de pasar al montaje.

Paso 3: Reúna los materiales

Ensamble cuidadosamente los materiales según las especificaciones. Tenga especial cuidado de no pelar ningún tornillo. Una vez hecho esto, tendrá que cambiar el hardware dimensionando y perforando agujeros más grandes y golpeándolos, o tendrá que cortar una pieza completamente nueva de acrílico. Tenga en cuenta que también debe tener cuidado con la pantalla táctil resistiva. ¡¡¡Es frágil !!! Después de todo, es una fina capa de vidrio. Tenga en cuenta que nosotros mismos tuvimos un accidente.

Paso 4: programación

La programación puede llevar algún tiempo. Aquí es donde sus habilidades de programación realmente pueden dar sus frutos. No es necesario que pueda escribir el código desde cero, pero si puede encontrar un código fuente bien comentado y organizado para modificar, eso hace la vida mucho más fácil. Aquí está el enlace a nuestro código fuente: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew…, ¡sírvase usted mismo! Ciertamente no está optimizado, ¡pero hizo el trabajo! Recuerde que estamos usando tres bases independientes no ortogonales y no linealmente independientes para el mapa de controles. Simplemente estamos leyendo todo en x, y y mapeando A, B y C. Luego, esta respuesta se sintoniza globalmente para ajustar cuánto más o menos queremos que responda el sistema.

Paso 5: ¡Prueba

Aquí probamos los grados de libertad. ¡Observe ahora cómo se amortizan nuestras tres bases! Por ejemplo, para obtener el DOF del rollo, simplemente bajamos una unidad a la izquierda, mientras subimos una unidad a la derecha, y viceversa para la otra dirección. También es importante haber hecho un buen trabajo filtrando el ruido de la pantalla táctil. Esto es vital para tener buenos datos para alimentar su PID.

Paso 6: ¡Sintonice y disfrute

La fase de prueba fue realmente solo para eliminar los errores. Aquí, nos enfocamos en ajustar el sistema de controles. esto se hace mejor con un algoritmo preestablecido. Mi favorito es abordarlo como un problema crítico de amortiguación, ¡Ejem! ¡Soy físico! ¡Así que apagas el término amortiguador! Es decir, el término derivado, que actúa como un término de arrastre. ¡Ahora la pelota oscilará violentamente! Sin embargo, el objetivo es conseguir que las oscilaciones estén lo más cerca posible de los armónicos, sin que crezcan ni decaigan, lo mejor que pueda. Una vez hecho esto, activa el término derivado y ajusta hasta que vuelva al equilibrio lo más rápido posible. Aquí es cuando se logra la amortiguación crítica. Sin embargo, si esto no funciona, existen muchos otros esquemas de ajuste bien probados para sistemas controlados por PID. Encontré esto en wikipedia, bajo el controlador PID. Muchas gracias por echarle un vistazo a mi proyecto y, por favor, comuníquese con cualquier pregunta, estaré encantado de responder cualquier pregunta que tenga. Nota especial: quiero señalar que este proyecto de principio a fin lo hicimos Miracle Max Guerrro y yo en poco menos de cuatro semanas, incluida la espera de dos semanas para una nueva pantalla que se atascó en la aduana, después de la primera. rompió. Así que, por favor, disculpe que está lejos de ser un rendimiento perfecto. ¡Feliz piratería!