منصة ستيوارت لموازنة الكرة المتحكم فيها بواسطة PID: 6 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

الدافع والمفهوم العام:

بصفتي فيزيائيًا في التدريب ، فأنا منجذبة بشكل طبيعي إلى الأنظمة الفيزيائية وأسعى إلى فهمها. لقد تدربت على حل المشكلات المعقدة عن طريق تقسيمها إلى مكوناتها الأساسية والأساسية ، ثم إعادة بناء المشكلة من هناك. على الرغم من أنني كنت أتعلم الميكانيكا والكهرومغناطيسية من المبادئ الأولى ، إلا أنني لم أستخدمها بعد في بعض التطبيقات المادية. سأحصل أخيرًا على هذه الفرصة من خلال إنشاء روبوت يستخدم نظرية التحكم الآلي لموازنة الكرة بشكل مستقل على منصة مسطحة يتم التحكم فيها بالكامل ، كل ذلك بمفرده!

في هذا الكيفية ؛ وهو مخصص للمتسلل أو المبرمج أو المهندس المتمرس تقنيًا ، سنستخدم Arduino Uno كمنصة تحكم دقيقة. تبدأ حلقة التغذية الراجعة المغلقة أولاً عندما تستشعر موضع محمل كروي معدني صلب مستلقي على شاشة مقاومة تعمل باللمس مسطحة ، والتي تغذي الكرات بالوضع الفوري. يتم بعد ذلك إدخال هذا الموضع في وحدة تحكم مشتق تكاملي (PID) ، والتي قمنا ببرمجتها في Arduino Uno. لقد جعلت هذا الكود مفتوح المصدر ومرتبطًا في المشروع. تم تكليف وحدة التحكم بإعادة الكرة إلى أي موضع يختاره المستخدم على الطاولة ، حتى عندما يكون مضطربًا بشكل كبير. تُعرف منصة الدعم الهيكلي التي سنستخدمها باسم "منصة ستيوارت" ، وهي مدعومة بستة قضبان توصيل مستقلة مدفوعة بمحركات مؤازرة توفر ما يصل إلى ست درجات من الحرية ؛ ترجمات X و Y و Z ، ولفافة ، ودرجة الانحراف ، والانحراف (دوران حول محاور X و Y و Z على التوالي). إن إنشاء وبرمجة مثل هذه المنصة عالية الحركة يمثل تحدياتها الخاصة ، لذلك بالنسبة لهذا المشروع ، سوف نطلب فقط درجات الحرية ، مع ترك الآخرين كتحديثات اختيارية للوظائف ، إذا رغب المستخدم في ذلك. إلى جانب النظام الأساسي الذي يحرك الكرة إلى أي مجموعة من المواضع الثابتة التي يحددها المستخدم ، سيجد المبرمجون المتقدمون أنه من السهل تحسين البرنامج وإضافة بعض المهارة عن طريق استبدال موضعنا الثابت الذي يحدده المستخدم ، بتتبع شبه مستمر للمستخدم مسار محدد ، مثل الشكل الثامن ، أو المسار الدائري ، أو اسمك بخط متصل ، أو البث المباشر المفضل لدي لقلم أو إصبع شخص ما على جهازه المحمول! قرصنة سعيدة!

الخطوة 1: احصل على المواد

المواد المطلوبة:

1. عدد قليل من الأوراق 1/4 "و 1/8" أكريليك

2. 6 - محركات مؤازرة (استخدمنا HS5485HB Servo’s)

3. 6 - قضبان التوصيل الملولبة (القابلة للتعديل)

4. 6 - ذراع مؤازر تشكيله باستخدام الحاسب الآلي مع ثقوب متعددة من أجل التعديل

5. 12 - نهايات قضيب Heim Joint

6. 6 - قضبان (قابل للتعديل)

7. 1 - 17 طقم USB ذو شاشة تعمل باللمس بخمس أسلاك (موضع استشعار محمل الكرة)

الخطوة الثانية: تجهيز المواد

أفضل طريقة للحصول على قص الأكريليك هي باستخدام كاميرا ليزر. قد يكون الوصول إلى واحدة أمرًا صعبًا ، لذلك يمكن أيضًا قطع الأكريليك بسهولة باستخدام أي أدوات قطع مألوفة لديك ، ومدربة بشكل صحيح ، ويمكن أن تعمل بأمان. إذا كنت أفعل هذا في المنزل على سبيل المثال ، كنت سأستخدم منشارًا يدويًا. لا يلزم أن يتطابق الشكل العام لمنصة Stewart تمامًا مع النموذج الذي قمت بإنشائه. ومع ذلك ، أود أن أشير إلى بعض الفرص المبسطة. أولاً ، من الأسهل بكثير تعيين درجات الحرية ودورانها باستخدام ثلاثة أسس ، بدلاً من الاثنين القياسيين. يتم ذلك عن طريق جعل ربط قضبان التوصيل بالمنصة الفعلية مثلثًا متساوي الأضلاع. يتيح لك هذا إهمال جميع التعقيدات المتعلقة بإيجاد درجات الحرية (DOF) من نقطة الصفر ، وبدلاً من ذلك نستخدم 3 "أسس" مستقلة غير خطية والتي تمثل ببساطة خريطة تلك الزاوية من المثلث صعودًا. قد يكون هذا تحديًا بالنسبة لي أو لكتابة الإحداثيات على هذا الأساس ، ولكن يمكن التعامل مع الترابط بين هذه الأسس بسهولة بواسطة الكود. هذا الافتراض المبسط هو مفتاح إهمال كل تعقيدات الهندسة. انظر الصورة رسم MS Paint وصورة السبورة للحصول على التفاصيل.

بمجرد قطع القطع ، ستحتاج إلى حفر جميع الثقوب ، حيث تتصل قضبان التوصيل والمفاصل الكروية. كن حذرًا لمطابقة حجم الفتحة مع الأجهزة المناسبة التي تستخدمها. هذا أمر حيوي لعمل السحابات التي اخترتها. تعتمد أحجام الفتحات على حجم الصنبور الذي ستحتاجه لقفلك. للقيام بذلك ، ابحث عن مرجع عبر الإنترنت لحجم الضغط المحدد ، ودرجة الصوت ونوع الموضوع (غرامة مقابل الدورة التدريبية). أوصي بخيوط الدورة التدريبية للاكريليك ، ولكن إذا كان يجب عليك استخدام خيط رفيع ، فيجب أن ينجح ، لأن هذا ما استخدمناه على أي حال. حان الوقت الآن للانتقال إلى التجمع.

الخطوة 3: تجميع المواد

تجميع المواد بعناية للمواصفات. كن حريصًا بشكل خاص على عدم نزع أي مسامير. بمجرد الانتهاء من ذلك ، سيكون عليك إما تغيير الأجهزة عن طريق تغيير الحجم وحفر ثقوب أكبر والتنصت عليها ، أو ستحتاج إلى قطع قطعة جديدة كاملة من الأكريليك. لاحظ أيضًا توخي الحذر مع شاشة مقاومة اللمس. إنه هش !!! إنها طبقة رقيقة من الزجاج بعد كل شيء. لاحظ أننا تعرضنا لحادث.

الخطوة 4: البرمجة

يمكن أن تستغرق البرمجة بعض الوقت. هذا هو المكان الذي يمكن لمهارات البرمجة الخاصة بك أن تؤتي ثمارها حقًا. لا تحتاج إلى أن تكون قادرًا على كتابة الكود من البداية ، ولكن إذا كان بإمكانك العثور على كود مصدر مُعلق جيدًا ومنظم لتعديله ، فهذا يجعل الحياة أسهل كثيرًا. ها هو الرابط الخاص بكود المصدر: https://github.com/a6guerre/Ball-balanced-on-Stew … ، ساعد نفسك! لم يتم تحسينه بالتأكيد ، ولكن تم إنجاز المهمة! تذكر أننا نستخدم ثلاثة أسس منفصلة غير متعامدة وغير خطية لخريطة الضوابط. نحن ببساطة نقرأ كل شيء في x و y ونرسم الخرائط إلى A و B و C. ثم يتم ضبط هذه الاستجابة عالميًا لضبط مقدار ما نريد أن يستجيب به النظام أكثر أو أقل.

الخطوة الخامسة: الاختبار

هنا نختبر درجات الحرية. لاحظ الآن كيف تؤتي أداؤنا الثلاثة ثمارها! على سبيل المثال ، للحصول على لفة DOF ، ننزل ببساطة وحدة واحدة على اليسار ، بينما نرتفع وحدة واحدة على اليمين ، والعكس بالعكس في الاتجاه الآخر. من المهم أيضًا أن تقوم بعمل جيد بما فيه الكفاية لتصفية الضوضاء من شاشة اللمس الخاصة بك. هذا أمر حيوي للحصول على بيانات جيدة لإدخالها في PID الخاص بك.

الخطوة 6: صقل واستمتع

كانت مرحلة الاختبار حقًا فقط لإخراج الأخطاء. هنا ، نركز على ضبط نظام التحكم. يتم ذلك بشكل أفضل باستخدام خوارزمية محددة مسبقًا. المفضل لدي هو التعامل معها كمشكلة ملطفة حرجة ، Ahem! أنا فيزيائي! لذلك قمت بإيقاف تشغيل مصطلح الترطيب! أي مصطلح المشتق ، الذي يعمل كمصطلح سحب. الآن الكرة سوف تتأرجح بعنف! ومع ذلك ، فإن الهدف هو جعل التذبذبات قريبة من التوافقية قدر الإمكان ، وليست تنمو أو تتحلل ، بأفضل ما يمكنك. بمجرد الانتهاء من ذلك ، تقوم بتشغيل المصطلح المشتق ، وتعديله حتى يعود إلى التوازن بأسرع ما يمكن. هذا عندما يتحقق التخميد الحرج. ومع ذلك ، إذا لم ينجح ذلك ، فهناك العديد من أنظمة الضبط الأخرى المثبتة جيدًا لأنظمة التحكم PID. لقد وجدت هذا على ويكيبيديا ، تحت تحكم PID. شكرًا جزيلاً على إلقاء نظرة على مشروعي ، ويرجى التواصل مع أي أسئلة ، وسيسعدني الرد على أي أسئلة لديك. ملاحظة خاصة: أريد أن أشير إلى أن هذا المشروع من البداية إلى النهاية تم تنفيذه بواسطة Miracle Max Guerrro ، وأنا في أقل من أربعة أسابيع ، بما في ذلك الانتظار لمدة أسبوعين للحصول على شاشة جديدة عالقة في الجمارك ، بعد أول واحدة لدينا حطم. لذا يرجى المعذرة أنه بعيد عن الأداء المثالي. قرصنة سعيدة!