Freestyle Robot balansujący z wahadłem chaotycznym

[cassius17]

Witam wszystkich Forumowiczów, chciałbym przedstawić Wam robota, którego zbudowałem w ramach pracy magisterskiej. Głównym jej założeniem było przetestowanie różnych algorytmów sterujących, takich jak rozwiązania regułowe, prosty regulator P czy też regulator PID.

W tym poście zaprezentuję jedynie część całego projektu, tzn. wykonanie symulacji w środowisku komputerowym oraz wykonanie robota.

Symulacja robota

Symulacja w środowisku v-rep została przeprowadzona, aby wstępnie określić czego można spodziewać się po algorytmach sterujących badając obiekt rzeczywisty.

Symulacja została przeprowadzona w środowisku v-rep w połączeniu z oprogramowaniem Matlab, które pełniło rolę kontrolera symulacji.

Remote API umożliwiło łatwe sterowanie symulacją a następnie wyciągnięcie danych z symulacji na temat położenia robota (jego wychylenia).

Aby zasymulować robota w środowiku v-rep, podjęto następujące kroki:

1. Eksport modelu ze środowiska Inventor do formatu akceptowanego przez środowisko v-rep (stl),
2. Import plików stl,
3. Rozbicie zaimportowanego złożenia na pojedyncze elementy,
4. Połączenie elementów w większe grupy dla łatwiejszej pracy,
5. Wykonanie kopii modelu w nowej scenie - zamiana elementów na bryły wypukłe,
6. Nadanie bryłom wypukłym właściwości dynamicznych,
7. Połączenie modelu statycznego z modelem dynamicznym,
8. Nadanie więzów - połączeń między elementami

Import plików stl do v-rep:

Zamiana elementów na bryły wypukłe:

Nadanie więzów między elementami:

Gotowa symulacja:

Wykonanie robota

Robot składa się z dwóch głównych części: mechanicznej i elektronicznej.

Cześć mechaniczna

Tą część dodatkowo możemy podzielić na:

• Stelaż robota
  
• Wykonano go z blachy aluminiowej o grubości 2 mm, który tworzą następujące elementy: panele boczne, podstawa, półka na elektronikę;

• Wahadło chaotyczne
  
• Technika druku 3D umożliwiła wykonanie wahadła. Złożone jest z pięciu komponentów: dwa
  
• górne i dwa dolne ramiona wahadała oraz poprzeczki łączącej strony wahadła;

• Mocowanie silników
  
• Są to elementy gotowe przeznaczone dla mocowania silników typu 25D (25 mm średnicy zewnętrznej);

• Silniki
  
• Są częścią układu napędowego odpowiedzialnego za utrzymanie zadanej pozycji robota. Zawierają w sobie przekładnię zębatą 34:1 oraz enkodery kwadraturowe.

W trakcie wykonywania wahadła napotkano na często występujące zjawisko skurczu w trakcie druku gniazd łożyskowych. Lekkie podszlifowanie wydruku rozwiązało problem.

Układ sterowania

Do wykonania układu sterowania wykorzystano następujące komponenty:

• Platforma prototypowania DfRobot Mega2560 (Arduino Mega2560)
  
• Sterownik silników Roboclaw 2x15A
  
• IMU MPU - 9150
  
• Konwerter napięć TTL

Robot zasilany był z akumulatora 3S poprzez przetwornicę napięcia.

Poniżej znajduje się schemat połączeń układu sterowania:

Informację o wychyleniu robota wyciągnięto z MPU-9150 poprzez DMP = cyfrowy procesor ruchu, który przeliczał, a następnie udostępniał wprost informacje o kącie wychylenia w stopniach.

Podsumowanie

W trakcie budowy napotkano problemy z zakłóceniami szyny i2c łączącej IMU z Arduino przez silniki. Jedynym rozwiązaniem było przeniesienie IMU powyżej silników, wprost na Arduino. Drugim dużym problemem były luzy w przekładni zębatej silnika przez co ruch robota nie był płynny i nie udało mi się go wystroić, tak jakbym sobie tego życzył.

Po za tymi mankamentami udało się uzyskać wyniki z badań symulacyjnych i rzeczywistych. Zgodnie z moimi obserwacjami jedynym algorytmem - z tych testowanych, który się sprawdził był regulator PID.

Na końcu krótki film z działania.

[Mechano]

Z góry przepraszam za głupie pytanie ale... to wahadło zostało dodane, żeby utrudnić czy żeby zaobserwować ruch robota łącznie z ruchem wahadła?

[cassius17]

Wahadło zostało dodane, aby sprawdzić działanie różnych algorytmów sterujących w przypadku wymuszeń, których nie da się wyliczyć, określić, jak to jest w przypadku wahadła chaotycznego.

[Treker (Damian Szymański)]

cassius17, ciekawa konstrukcja Jaka ocena z pracy?

[cassius17]

Otrzymałem ocenę bardzo dobrą