ინვერსიული ქანქარა: კონტროლის თეორია და დინამიკა: 17 ნაბიჯი (სურათებით)

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:18

ინვერსიული ქანქარა არის კლასიკური პრობლემა დინამიკასა და კონტროლის თეორიაში, რომელიც ზოგადად შემუშავებულია საშუალო სკოლისა და საბაკალავრო ფიზიკის ან მათემატიკის კურსებზე. მე, როგორც მათემატიკისა და მეცნიერების მოყვარული, გადავწყვიტე განმეცადა და განმეხორციელებინა ის კონცეფციები, რომლებიც მე ვისწავლე კლასების დროს, რათა შემუშავებულიყო შემობრუნებული ქანქარა. რეალურ ცხოვრებაში ასეთი კონცეფციების გამოყენება არა მხოლოდ გეხმარებათ გაგების გაღრმავებაში, არამედ წარმოგიდგენთ პრობლემებისა და გამოწვევების სრულიად ახალ განზომილებას, რომლებიც ეხება პრაქტიკულობას და რეალურ სიტუაციებს, რომლებსაც ვერასდროს შეხვდებით თეორიულ კლასებში.

ამ ინსტრუქციურად, მე პირველ რიგში წარმოგიდგენთ ინვერსიული ქანქარის პრობლემას, შემდეგ დავფარავ პრობლემის თეორიულ ასპექტს და შემდეგ განვიხილავ ტექნიკასა და პროგრამულ უზრუნველყოფას, რომელიც საჭიროა ამ კონცეფციის სიცოცხლის მისაღწევად.

მე გირჩევთ უყუროთ ვიდეოს, რომელიც თანდართულია ინსტრუქციის გავლისას, რაც უკეთეს გაგებას მოგცემთ.

და ბოლოს, გთხოვთ, არ დაგავიწყდეთ ხმის მიცემა "საკლასო მეცნიერების კონკურსში", თუ მოგეწონათ ეს პროექტი და მოგერიდებათ დატოვოთ შეკითხვები ქვემოთ მოცემულ კომენტარებში. ბედნიერი დამზადება!:)

ნაბიჯი 1: პრობლემა

ინვერსიული ქანქარის პრობლემა ანალოგიურია ცოცხის ან გრძელი ძელის ხელისგულზე დაბალანსებისა, რაც ჩვენ უმრავლესობას ვცდილობდით ბავშვობაში. როდესაც ჩვენი თვალები ხედავენ პოლუსს, რომელიც გარკვეულ მხარეს ეცემა, ისინი აგზავნიან ამ ინფორმაციას ტვინს, რომელიც ასრულებს გარკვეულ გამოთვლებს და შემდეგ ავალებს თქვენს მკლავს გადაადგილდეს გარკვეულ პოზიციაში გარკვეული სიჩქარით პოლუსის მოძრაობის საწინააღმდეგოდ, რაც იმედია მოიტანს გადაბრუნების პოლუსი უკან ვერტიკალზე. ეს პროცესი მეორდება ასობითჯერ წამში, რაც პოლუსს მთლიანად თქვენს კონტროლის ქვეშ ინახავს. ინვერსიული ქანქარა ფუნქციონირებს ანალოგიურად. მიზანი არის დაბალანსება ქანქარა თავდაყირა ეტლზე, რომლის გადაადგილებაც ნებადართულია. თვალების ნაცვლად, სენსორი გამოიყენება ქანქარის პოზიციის გამოსავლენად, რომელიც აგზავნის ინფორმაციას კომპიუტერზე, რომელიც ასრულებს გარკვეულ გამოთვლებს და ავალებს მამოძრავებლებს გადაადგილდნენ კალათა ისე, რომ ქანქარა კვლავ ვერტიკალური გახდეს.

ნაბიჯი 2: გამოსავალი

ქანქარის თავდაყირა დაბალანსების ეს პრობლემა მოითხოვს გააზრებას მოძრაობებსა და ძალებში, რომლებიც თამაშობენ ამ სისტემაში. საბოლოოდ, ეს შეხედულება მოგვცემს საშუალებას მივიღოთ სისტემის "მოძრაობის განტოლებები", რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას გამომთვლელთან და სენსორებიდან შემოსულ მონაცემებს შორის ურთიერთობების გამოსათვლელად.

მოძრაობის განტოლებები შეიძლება წარმოიშვას ორი გზით, თქვენი დონის მიხედვით. ისინი შეიძლება მიღებული იყოს ნიუტონის ძირითადი კანონების და საშუალო სკოლის მათემატიკის გამოყენებით ან ლაგრანგიული მექანიკის გამოყენებით, რომელიც ზოგადად დანერგულია ფიზიკის საბაკალავრო კურსებში. (შენიშვნა: ნიუტონის კანონების გამოყენებით მოძრაობის განტოლებების გამოტანა მარტივია, მაგრამ დამღლელი, ხოლო ლაგრანგიული მექანიკის გამოყენება ბევრად ელეგანტურია, მაგრამ მოითხოვს ლაგრანგიული მექანიკის გაგებას, თუმცა ორივე მიდგომა საბოლოოდ იწვევს ერთსა და იმავე გადაწყვეტას).

ორივე მიდგომა და მათი ფორმალური წარმოშობა, როგორც წესი, დაფარულია საშუალო სკოლის ან ბაკალავრიატის კლასებში მათემატიკაში ან ფიზიკაში, თუმცა მათი ადვილად პოვნა შესაძლებელია მარტივი Google ძიების გამოყენებით ან ამ ბმულის მონახულებით. მოძრაობის საბოლოო განტოლებებზე დაკვირვებით ვამჩნევთ კავშირს ოთხ რაოდენობას შორის:

• ქანქარის კუთხე ვერტიკალზე
• ქანქარის კუთხური სიჩქარე
• ქანქარის კუთხური აჩქარება
• ურიკის ხაზოვანი აჩქარება

სადაც პირველი სამი არის სიდიდეები, რომელთა გაზომვა მოხდება სენსორით, ხოლო ბოლო რაოდენობა გადაეგზავნება აქტივატორს შესასრულებლად.

ნაბიჯი 3: კონტროლის თეორია

კონტროლის თეორია არის მათემატიკის ქვეგანყოფილება, რომელიც ეხება ინჟინერირებულ პროცესებსა და მანქანებში დინამიური სისტემების კონტროლსა და მუშაობას. მიზანი არის განვავითაროთ კონტროლის მოდელი ან კონტროლის მარყუჟი სტაბილურობის მისაღწევად. ჩვენს შემთხვევაში, დააბალანსეთ თავდახრილი ქანქარა.

არსებობს ორი ძირითადი ტიპის საკონტროლო მარყუჟი: ღია მარყუჟის კონტროლი და დახურული მარყუჟის კონტროლი. ღია მარყუჟის კონტროლის განხორციელებისას საკონტროლო მოქმედება ან ბრძანება კონტროლერისგან დამოუკიდებელია სისტემის გამომუშავებისაგან. ამის კარგი მაგალითია ღუმელი, სადაც ღუმელის დარჩენის დრო მხოლოდ ტაიმერზეა დამოკიდებული.

დახურული მარყუჟის სისტემაში კონტროლერის ბრძანება დამოკიდებულია სისტემის მდგომარეობის უკუკავშირზე. ჩვენს შემთხვევაში, უკუკავშირი არის ქანქარის კუთხე ნორმალურის მითითებით, რომელიც განსაზღვრავს კალათის სიჩქარეს და პოზიციას, შესაბამისად, ამ სისტემას ხდის დახურულ მარყუჟს. ზემოთ მიმაგრებულია ვიზუალური წარმოდგენა დახურული მარყუჟის სისტემის ბლოკ დიაგრამის სახით.

არსებობს უკუკავშირის მექანიზმის რამდენიმე ტექნიკა, მაგრამ ერთ -ერთი ყველაზე ფართოდ გამოიყენება პროპორციულ -ინტეგრალურ -წარმოებული კონტროლერი (PID კონტროლერი), რასაც ჩვენ ვიყენებთ.

შენიშვნა: ასეთი კონტროლერების მუშაობის გაგება ძალიან სასარგებლოა წარმატებული კონტროლერის შესაქმნელად, თუმცა ამგვარი კონტროლერის მუშაობის ახსნა ამ ინსტრუქციის ფარგლებს სცილდება. თუ თქვენს კურსში არ შეგხვედრიათ ამ ტიპის კონტროლერები, არის მასალების მტევანი ინტერნეტით და მარტივი Google ძებნა ან ონლაინ კურსი დაგეხმარებათ.

ნაბიჯი 4: განახორციელეთ ეს პროექტი თქვენს კლასში

ასაკობრივი ჯგუფი: ეს პროექტი უპირველეს ყოვლისა განკუთვნილია საშუალო სკოლის ან ბაკალავრიატის სტუდენტებისთვის, მაგრამ ის შეიძლება მცირეწლოვან ბავშვებსაც წარუდგინონ უბრალოდ როგორც დემონსტრაცია ცნებების მიმოხილვის საშუალებით.

დაფარული კონცეფციები: ძირითადი კონცეფციები, რომლებიც დაფარულია ამ პროექტით არის დინამიკა და კონტროლის თეორია.

საჭირო დრო: მას შემდეგ, რაც ყველა ნაწილი შეიკრიბება და დამზადებულია, შეკრებას 10 -დან 15 წთ სჭირდება. საკონტროლო მოდელის შექმნას მეტი დრო სჭირდება, ამისათვის სტუდენტებს შეიძლება მიეცეთ 2 -დან 3 დღემდე. მას შემდეგ, რაც თითოეულმა ინდივიდუალურმა სტუდენტმა (ან სტუდენტთა ჯგუფმა) შეიმუშავა შესაბამისი კონტროლის მოდელები, სხვა დღე შეიძლება გამოყენებულ იქნეს ინდივიდების ან გუნდების დემონსტრირებისთვის.

ამ პროექტის თქვენს კლასში დანერგვის ერთ -ერთი გზა იქნება სისტემის შექმნა (აღწერილია შემდგომ ნაბიჯებში), მაშინ როდესაც პარტია მუშაობს ფიზიკის ქვეთემით დინამიკასთან ან მათემატიკის გაკვეთილებზე კონტროლის სისტემების შესწავლისას. ამ გზით, იდეები და კონცეფციები, რომლებსაც ისინი შეხვდებიან გაკვეთილის დროს, შეიძლება პირდაპირ განხორციელდეს რეალურ სამყაროში, რაც მათ კონცეფციებს ბევრად უფრო ნათელს გახდის, რადგან არ არსებობს უკეთესი გზა ახალი კონცეფციის შესასწავლად, ვიდრე რეალურ ცხოვრებაში განხორციელებით.

შეიძლება შეიქმნას ერთი სისტემა, როგორც კლასი და შემდეგ კლასი დაიყოს გუნდებად, თითოეული აშენებს კონტროლის მოდელს ნულიდან. თითოეულ გუნდს შეუძლია თავისი ნამუშევრების დემონსტრირება კონკურსის ფორმატში, სადაც საუკეთესო კონტროლის მოდელია ის, რომელსაც შეუძლია გაწონასწორდეს ყველაზე დიდხანს და გაუძლოს მოძრაობებს და მძლავრად უბიძგებს.

თქვენს კლასში ამ პროექტის განხორციელების კიდევ ერთი გზა იქნება უფროსი ბავშვების შექმნა (საშუალო სკოლის მოსწავლეები), ამ პროექტის შემუშავება და მისი დემონსტრირება უმცროსი ბავშვებისთვის, ხოლო მათ მიმოხილვა დინამიკასა და კონტროლზე. ეს შეიძლება გამოიწვიოს არა მხოლოდ ფიზიკისა და მათემატიკისადმი ინტერესი მცირეწლოვანი ბავშვებისთვის, არამედ დაეხმარება უფროს მოსწავლეებს გაანალიზონ თეორიის კონცეფცია, რადგან თქვენი კონცეფციების განმტკიცების ერთ -ერთი საუკეთესო გზაა სხვების ახსნა, განსაკუთრებით მცირეწლოვან ბავშვებს, როგორც ამას მოითხოვს. თქვენ ჩამოაყალიბეთ თქვენი იდეები ძალიან მარტივი და გასაგები ფორმით.

ნაბიჯი 5: ნაწილები და მასალები

ეტლს უფლება ექნება თავისუფლად გადაადგილდეს რელსებზე, რაც მას აძლევს თავისუფლების ერთ ხარისხს. აქ არის ნაწილები და მარაგები, რომლებიც საჭიროა ქანქარისა და კალათისა და რელსების სისტემის დასამზადებლად:

ელექტრონიკა:

• ერთი Arduino თავსებადი დაფა, ნებისმიერი იმუშავებს. მე გირჩევთ Uno იმ შემთხვევაში, თუ თქვენ არ ხართ ძალიან გამოცდილი ელექტრონიკით, რადგან მისი გაყოლა უფრო ადვილი იქნება.
• ერთი Nema17 სტეპერიანი ძრავა, რომელიც იმუშავებს როგორც კალათის ამძრავი.
• ერთი სტეპერიანი ძრავის მძღოლი, კიდევ ერთხელ არაფერი გამოდგება, მაგრამ მე გირჩევთ A4988 სტეპერიანი ძრავის მძღოლს, რადგან მისი გავლა უფრო მარტივი იქნება.
• ერთი MPU-6050 ექვს ღერძი (გირო + ამაჩქარებელი), რომელიც გამოავლენს სხვადასხვა პარამეტრებს, როგორიცაა ქანქარის კუთხე და კუთხური სიჩქარე.
• ერთი 12 ვ 10 ა ელექტრომომარაგება, 10 ა ფაქტიურად უმნიშვნელო გადატვირთვაა ამ კონკრეტული პროექტისათვის, 3A– ზე ზემოთ ყველაფერი იმუშავებს, მაგრამ დამატებითი დენის ამოღების შესაძლებლობა მომავალ განვითარებას იძლევა, სადაც მეტი ენერგია შეიძლება იყოს საჭირო.

აპარატურა:

• 16 x საკისრები, მე გამოვიყენე სკეიტბორდის საკისრები და ისინი მშვენივრად მუშაობდნენ
• 2 x GT2 ჭანჭიკი და ქამარი
• დაახლოებით 2.4 მეტრი 1.5 დიუმიანი PVC მილი
• 4 მმ თხილი და ჭანჭიკები

ზოგიერთი ნაწილი, რომელიც გამოიყენებოდა ამ პროექტში, ასევე იყო 3D ბეჭდვით, ამიტომ 3D პრინტერის ქონა ძალიან გამოსადეგი იქნება, თუმცა საყოველთაოდ ხელმისაწვდომია ადგილობრივი ან ონლაინ 3D ბეჭდვის საშუალებები.

ყველა ნაწილის საერთო ღირებულება 50 $ -ზე ნაკლებია (3D პრინტერის გამოკლებით)

ნაბიჯი 6: 3D ნაბეჭდი ნაწილები

კალათისა და რელსების სისტემის ზოგიერთი ნაწილი შეკვეთილი უნდა ყოფილიყო, ამიტომ მე გამოვიყენე Autodesk– ის უფასო გამოყენება Fusion360 cad ფაილების მოდელირებისთვის და 3D პრინტერზე 3D ბეჭდვისთვის.

ზოგიერთი ნაწილი, რომელიც იყო მხოლოდ 2D ფორმა, როგორიცაა ქანქარა და განრისული საწოლი, ლაზერულად იყო მოჭრილი, რადგან ეს ბევრად უფრო სწრაფი იყო. ყველა STL ფაილი მიმაგრებულია ქვემოთ zipped საქაღალდეში. აქ არის ყველა ნაწილის სრული სია:

• 2 x Gantry Roller
• 4 x ბოლო თავსახური
• 1 x სტეპერი ფრჩხილი
• 2 x უსაქმური პულელის ტარების დამჭერი
• 1 x Pendulum მფლობელი
• 2 x ქამრის მიმაგრება
• 1 x Pendulum Bearing Holder (a)
• 1 x Pendulum Bearing Holder (ბ)
• 1 x Pulley Hole Spacer
• 4 x ტარების ხვრელი Spacer
• 1 x Gantry Plate
• 1 x Stepper Holder Plate
• 1 x უსაქმური პულელის დამჭერი ფირფიტა
• 1 x Pendulum (a)
• 1 x Pendulum (ბ)

საერთო ჯამში არის 24 ნაწილი, რომელთა დაბეჭდვას დიდი დრო არ სჭირდება, რადგან ნაწილები მცირეა და მათი დაბეჭდვა შესაძლებელია. ამ ინსტრუქციის მსვლელობისას, მე ვიხსენებ იმ ნაწილებს, რომლებიც ემყარება ამ სიაში არსებულ სახელებს.

ნაბიჯი 7: Gantry Rollers- ის შეკრება

განტრის როლიკები ბორბლებს ჰგავს კალათისთვის. ისინი გადავა PVC ბილიკზე, რაც საშუალებას მისცემს კალათა შეუფერხებლად გადაადგილდეს მინიმალური ხახუნის გარეშე. ამ ნაბიჯის გადასაჭრელად, აიღეთ ორი 3D დაბეჭდილი განტრის როლიკერი, 12 საკისრები და თხილი და ჭანჭიკები. თქვენ დაგჭირდებათ 6 საკისრები თითო როლიკზე. მიამაგრეთ საკისრები როლიკზე თხილისა და ჭანჭიკების გამოყენებით (გამოიყენეთ სურათები, როგორც მითითება). მას შემდეგ, რაც თითოეული როლიკერი მზადდება, გადაიტანეთ ისინი PVC მილზე.

ნაბიჯი 8: წამყვანი სისტემის აწყობა (სტეპერიანი ძრავა)

ურიკას მართავს სტანდარტული Nema17 სტეპერიანი ძრავა. ჩამაგრეთ ძრავა სტეპერის სამაგრში იმ ხრახნების გამოყენებით, რომლებიც სტეპერთან ერთად უნდა მოდიოდეს. შემდეგ ხრახნიანი ფრჩხილი გადააადგილეთ სტეპერის საყრდენ ფირფიტაზე, გაათანაბრეთ ფრჩხილის 4 ხვრელი ფირფიტაზე 4 და გამოიყენეთ თხილი და ჭანჭიკები, რომ დააკავშიროთ ეს ორი ერთად. შემდეგი, დააინსტალირეთ GT2 პულე ძრავის ლილვზე და მიამაგრეთ 2 ბოლო საფეხური ქვემოდან სტეპერის დამჭერის ფირფიტაზე მეტი კაკლის და ჭანჭიკის გამოყენებით. დასრულების შემდეგ, თქვენ შეგიძლიათ გადაიტანოთ ბოლოები მილებზე. იმ შემთხვევაში, თუ მორგება ძალიან სწორია იმის ნაცვლად, რომ ბოლოები დაიჭიროს მილებზე, მე გირჩევთ, რომ მოაყაროთ 3D დაბეჭდილი ბოლოკის შიდა ზედაპირი, სანამ მორგება არ მოხდება.

ნაბიჯი 9: წამყვანი სისტემის აწყობა (უსაქმური მარყუჟი)

თხილი და ჭანჭიკები, რომელსაც მე ვიყენებდი, იყო 4 მმ დიამეტრის მიუხედავად იმისა, რომ ჭურჭელზე და საკისრებზე ჭაბურღილები იყო 6 მმ, რის გამოც მე მომიწია 3D ბეჭდვის გადამყვანები და ჩავაგდო ისინი ჭურჭლისა და საკისრების ხვრელებში ისე, რომ არ გამხდარიყო. ჭრილობა ჭანჭიკზე. თუ თქვენ გაქვთ სწორი ზომის თხილი და ჭანჭიკები, ეს ნაბიჯი არ დაგჭირდებათ.

მოათავსეთ საკისრები უსაქმური ტალღის ტარების საყრდენში. კიდევ ერთხელ, თუ მორგება ძალიან მჭიდროა, გამოიყენეთ ქვიშაქვა, რომ ოდნავ მოაყაროთ უსაქმური ტალღის საყრდენის შიდა კედელი. გაიარეთ ჭანჭიკი ერთ – ერთ საკისრზე, შემდეგ გადაიტანეთ პულტი ჭანჭიკზე და დახურეთ მეორე ბოლო მეორე ტარების და უსაქმური პულეს ტარების საყრდენის ნაკრებით.

ამის დასრულების შემდეგ მიამაგრეთ უსაქმური ტალღის ტარების დამჭერი წყვილი უსაქმური პულეს დამჭერის ფირფიტაზე და მიამაგრეთ ბოლოები ამ ფირფიტის ქვედა მხარეს, წინა ნაბიჯის მსგავსი. დაბოლოს, დახურეთ ორი PVC მილის საპირისპირო ბოლო ამ ბოლოების გამოყენებით. ამით თქვენი კალათის რელსები დასრულებულია.

ნაბიჯი 10: განტრის შეკრება

შემდეგი ნაბიჯი არის კალათის აშენება. მიამაგრეთ ორი ბორბალი ერთმანეთთან განტელის ფირფიტისა და 4 კაკლის და ჭანჭიკის გამოყენებით. განტრის ფირფიტებს აქვს სლოტები, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ შეცვალოთ ფირფიტის პოზიცია მცირე კორექტირებისთვის.

შემდეგი, დააინსტალირეთ ორი ქამარი მიმაგრებული განტრის ფირფიტის ორივე მხარეს. დარწმუნდით, რომ მიამაგრეთ ისინი ქვემოდან, წინააღმდეგ შემთხვევაში ქამარი არ იქნება იმავე დონეზე. დარწმუნდით, რომ ჭანჭიკებიც ქვემოდან უნდა გაიაროთ, რადგან წინააღმდეგ შემთხვევაში, თუ ჭანჭიკები ძალიან გრძელია, მათ შეუძლიათ შეაფერხონ ქამარი.

დაბოლოს, მიამაგრეთ ქანქარის დამჭერი კალათის წინა მხარეს კაკლებისა და ჭანჭიკების გამოყენებით.

ნაბიჯი 11: ქანქარის შეკრება

ქანქარა გაკეთდა ორ ნაწილად, მხოლოდ მასალის დაზოგვის მიზნით. თქვენ შეგიძლიათ დააკავშიროთ ეს ორი ნაწილი ერთმანეთთან კბილების გასწორებით და მათი სუპერწებებით. კვლავ მიაწექით ტარების ხვრელს ორ საყრდენში, რათა შეაფასონ მცირე ზომის ჭანჭიკის დიამეტრი და შემდეგ დააყენეთ საკისრები საკიდის ორი საყრდენის საყრდენის საყრდენ ნაწილებში. მიამაგრეთ ორი 3D დაბეჭდილი ნაწილი ქანქარის ქვედა ბოლოში თითოეულ მხარეს და დააფიქსირეთ 3 ერთად 3 კაკლისა და ჭანჭიკის გამოყენებით, რომელიც გადის ქანქარის საყრდენის საყრდენებზე. გაიარეთ ჭანჭიკი ორ საყრდენზე და დააწებეთ მეორე ბოლო შესაბამისი კაკლით.

შემდეგი, აიღეთ თქვენი MPU6050 და მიამაგრეთ იგი ქანქარის მოპირდაპირე ბოლოზე სამონტაჟო ხრახნების გამოყენებით.

ნაბიჯი 12: ქანქარის და ქამრების დამონტაჟება

ბოლო ნაბიჯი არის ქანქარის დაყენება კალათაზე. გააკეთეთ ეს იმ ჭანჭიკის გავლით, რომელიც ადრე გაიარეთ ორ ქანქარას საკისარზე, ქანქარების საყრდენზე არსებული ხვრელიდან, რომელიც მიმაგრებულია კალათის წინა მხარეს და გამოიყენეთ თხილის მეორე ბოლოში, რათა ქანქარა კალათაზე დაიჭიროთ.

დაბოლოს, აიღეთ თქვენი GT2 ქამარი და უპირველეს ყოვლისა მიამაგრეთ ერთი ბოლო ქამრის ერთ -ერთ დანართზე, რომელიც კალათაზეა მიბმული. ამისათვის მე გამოვიყენე სამგანზომილებიანი დასაბეჭდი ქამრის სამაგრ, რომელიც იკეტება ქამრის ბოლოში და ხელს უშლის ვიწრო ჭრილში გასრიალებას. ამ ნაჭრის სტოლები შეგიძლიათ ნახოთ Thingiverse– ზე ამ ბმულის გამოყენებით. შემოიხვიეთ ქამარი სტეპერიანი მარყუჟისა და უსაქმური მარყუჟის გარშემო და მიამაგრეთ ქამრის მეორე ბოლო ურიკის მოპირდაპირე ბოლოში ქამრის მიმაგრების ნაწილზე. დაძაბეთ ქამარი, დარწმუნდით, რომ ძალიან არ დაიჭიმოთ ან არ დაკარგოთ ის და ამით თქვენი ქანქარა და კალათა დასრულებულია!

ნაბიჯი 13: გაყვანილობა და ელექტრონიკა

გაყვანილობა შედგება MPU6050– ის Arduino– სთან და წამყვანი სისტემის გაყვანილობისგან. მიჰყევით ზემოთ მიმაგრებულ გაყვანილობის დიაგრამას თითოეული კომპონენტის დასაკავშირებლად.

MPU6050 არდუინოსკენ:

• GND to GND
• +5 ვ - დან +5 ვ
• SDA to A4
• SCL– დან A5– მდე
• Int2 to D2

სტეპერიანი ძრავა სტეპერ დრაივერისთვის:

• Coil 1 (a) to 1A
• Coil 1 (ბ) 1B
• Coil 2 (a) to 2A
• Coil 2 (ბ) 2B

სტეპერ დრაივერი არდუინოში:

• GND to GND
• VDD +5 ვ
• ნაბიჯი D3
• DIR– დან D2– მდე
• VMOT ელექტრომომარაგების პოზიტიური ტერმინალისკენ
• GND ელექტრომომარაგების სახმელეთო ტერმინალში

ძილის და გადატვირთვის ქინძისთავები სტეპერ დრაივერზე უნდა იყოს დაკავშირებული ჯუმბერთან. დაბოლოს, კარგი იდეაა ელექტროლიტური კონდენსატორის დაკავშირება დაახლოებით 100 uF სიმძლავრის პოზიტიური და გრუნტის ტერმინალების პარალელურად.

ნაბიჯი 14: სისტემის კონტროლი (პროპორციული კონტროლი)

თავდაპირველად, მე გადავწყვიტე გამომეცადა ძირითადი პროპორციული კონტროლის სისტემა, ანუ ეტლის სიჩქარე უბრალოდ პროპორციულია გარკვეული ფაქტორით იმ კუთხის მიმართ, რომელსაც ქანქარა ქმნის ვერტიკალთან. ეს მხოლოდ გამოცდა იყო იმის დასადასტურებლად, რომ ყველა ნაწილი სწორად ფუნქციონირებდა. თუმცა, ეს ძირითადი პროპორციული სისტემა საკმარისად ძლიერი იყო იმისათვის, რომ ქანქარა უკვე დაბალანსებულიყო. ქანქარას შეეძლო საკმაოდ მძლავრად შეეწინააღმდეგებინა ნაზი ბიძგები და მოძრაობები. მიუხედავად იმისა, რომ ეს კონტროლის სისტემა საოცრად კარგად მუშაობდა, მას მაინც ჰქონდა რამდენიმე პრობლემა. თუ გადავხედავთ IMU კითხვის გრაფიკს გარკვეული დროის განმავლობაში, ჩვენ აშკარად შევამჩნევთ რხევებს სენსორის კითხვებში. ეს გულისხმობს იმას, რომ როდესაც მაკონტროლებელი ცდილობს შეასწოროს, ის ყოველთვის გადაჭარბებულია გარკვეული ოდენობით, რაც, ფაქტობრივად, პროპორციული კონტროლის სისტემის ბუნებაა. ეს უმნიშვნელო შეცდომა შეიძლება გამოსწორდეს სხვადასხვა ტიპის კონტროლერის გამოყენებით, რომელიც ითვალისწინებს ყველა ამ ფაქტორს.

პროპორციული კონტროლის სისტემის კოდი მოცემულია ქვემოთ. კოდი მოითხოვს რამდენიმე დამატებითი ბიბლიოთეკის მხარდაჭერას, რომელიც არის MPU6050 ბიბლიოთეკა, PID ბიბლიოთეკა და AccelStepper ბიბლიოთეკა. მათი გადმოწერა შესაძლებელია Arduino IDE- ს ინტეგრირებული ბიბლიოთეკის მენეჯერის გამოყენებით. უბრალოდ გადადით ჩანახატზე >> ბიბლიოთეკის ჩართვა >> ბიბლიოთეკების მართვა და შემდეგ მოძებნეთ PID, MPU6050 და AccelStepper საძიებო ზოლში და დააინსტალირეთ ისინი უბრალოდ დააინსტალირეთ ინსტალაციის ღილაკს.

თუმცა, ჩემი რჩევა ყველა თქვენთაგანის, ვინც მეცნიერებისა და მათემატიკის მოყვარულნი ხართ, იქნება სცადოთ და ააწყოთ ამგვარი კონტროლერი ნულიდან. ეს არა მხოლოდ გააძლიერებს თქვენს კონცეფციებს დინამიკისა და კონტროლის თეორიების შესახებ, არამედ მოგცემთ შესაძლებლობას განახორციელოთ თქვენი ცოდნა რეალურ ცხოვრებაში.

ნაბიჯი 15: სისტემის კონტროლი (PID კონტროლი)

საერთოდ, რეალურ ცხოვრებაში, მას შემდეგ რაც კონტროლის სისტემა აღმოჩნდება საკმარისად ძლიერი მისი გამოყენებისათვის, ინჟინრები, როგორც წესი, უბრალოდ ასრულებენ პროექტს, ვიდრე სიტუაციის ზედმეტად გართულებას უფრო რთული კონტროლის სისტემების გამოყენებით. ჩვენს შემთხვევაში, ჩვენ ვაშენებთ ამ შებრუნებულ ქანქარას წმინდა საგანმანათლებლო მიზნებისთვის. ამიტომ ჩვენ შეგვიძლია შევეცადოთ გადავიდეთ უფრო რთულ საკონტროლო სისტემებზე, როგორიცაა PID კონტროლი, რომელიც შეიძლება აღმოჩნდეს ბევრად უფრო ძლიერი ვიდრე ძირითადი პროპორციული კონტროლის სისტემა.

მიუხედავად იმისა, რომ PID კონტროლის განხორციელება ბევრად უფრო რთული იყო, მას შემდეგ რაც სწორად განხორციელდა და იპოვა სრულყოფილი პარამეტრების პუნქტი, ქანქარა მნიშვნელოვნად დაბალანსდა. ამ მომენტში მას ასევე შეუძლია შეაფერხოს მსუბუქი დარტყმები. კითხულობს IMU– ს მოცემულ დროში (მიმაგრებულია ზემოთ) ასევე ადასტურებს, რომ კითხვები არასოდეს შორდება სასურველ წერტილს, ანუ ვერტიკალურს, რაც აჩვენებს, რომ ეს კონტროლის სისტემა ბევრად უფრო ეფექტური და ძლიერია, ვიდრე ძირითადი პროპორციული კონტროლი რა

კიდევ ერთხელ, ჩემი რჩევა ყველა თქვენთაგანის, ვინც ხართ მეცნიერებისა და მათემატიკის მოყვარულნი, იქნება სცადოთ და ააშენოთ PID კონტროლერი ნულიდან, სანამ ქვემოთ მოცემულ კოდს გამოიყენებთ. ეს შეიძლება გამოწვევად მივიჩნიოთ და არავინ იცის, ვიღაცას შეეძლო გამოეყენებინა კონტროლის სისტემა, რომელიც გაცილებით ძლიერია, ვიდრე ყველაფერი, რაც აქამდე სცადეს.მიუხედავად იმისა, რომ ძლიერი PID ბიბლიოთეკა უკვე ხელმისაწვდომია Arduino– სთვის, რომელიც შემუშავებულია ბრეტ ბორეგარდის მიერ და მისი დაყენება შესაძლებელია ბიბლიოთეკის მენეჯერისგან Arduino IDE– ზე.

შენიშვნა: თითოეული კონტროლის სისტემა და მისი შედეგი ნაჩვენებია ვიდეოში, რომელიც დართულია პირველივე საფეხურზე.

ნაბიჯი 16: შემდგომი გაუმჯობესება

ერთ-ერთი რამ, რისი მცდელობაც მსურდა იყო იყო "swing-up" ფუნქცია, როდესაც ქანქარა თავდაპირველად ეკიდა კალათის ქვემოთ და კალათა აკეთებს რამოდენიმე სწრაფ და მაღლა მოძრაობას ბილიკის გასწვრივ, რათა ჩამოიხრჩო ქანქარა ჩამოკიდებულიდან თავდაყირა გადაქცეული პოზიცია. მაგრამ ეს არ იყო შესაძლებელი ახლანდელი კონფიგურაციით, რადგან გრძელი კაბელი ინერციული გაზომვის ერთეულს უნდა აკავშირებდა არდუინოსთან, შესაბამისად, ქანქარის სრულმა წრემ შეიძლება გამოიწვია კაბელის გადახრა და შეფერხება. ამ საკითხის მოგვარება შესაძლებელია ქანქარის ღერძზე მიმაგრებული მბრუნავი კოდირებით, ინერტული საზომი ერთეულის ნაცვლად, მის ბოლოში. კოდირებით, მისი ლილვი არის ერთადერთი, რაც ტრიალებს ქანქარასთან, ხოლო სხეული უმოძრაოდ რჩება, რაც იმას ნიშნავს, რომ კაბელები არ ირევა.

მეორე თვისება, რომლის მცდელობაც მინდოდა, იყო კალათაზე ორმაგი ქანქარის დაბალანსება. ეს სისტემა შედგება ორი ქანქარისაგან, რომლებიც ერთმანეთის მიყოლებით არის დაკავშირებული. მიუხედავად იმისა, რომ ასეთი სისტემების დინამიკა გაცილებით რთულია და მოითხოვს გაცილებით მეტ კვლევას.

ნაბიჯი 17: საბოლოო შედეგები

მსგავს ექსპერიმენტს შეუძლია შეცვალოს კლასის განწყობა პოზიტიურად. საერთოდ, ადამიანების უმეტესობას ურჩევნია გამოიყენოს ცნებები და იდეები მათი კრისტალიზაციის მიზნით, წინააღმდეგ შემთხვევაში, იდეები რჩება "ჰაერში", რაც აიძულებს ხალხს უფრო სწრაფად დაივიწყოს ისინი. ეს იყო მხოლოდ ერთი მაგალითი იმისა, რომ კლასში ნასწავლი გარკვეული ცნებები რეალურ სამყაროში გამოვიყენოთ, თუმცა ეს აუცილებლად გამოიწვევს ენთუზიაზმს მოსწავლეებში, რათა საბოლოოდ სცადონ და გამოიტანონ თავიანთი ექსპერიმენტები თეორიების შესამოწმებლად, რაც მათ მომავალ კლასებს გაცილებით მეტს გახდის. ცოცხალი, რაც მათ უფრო მეტის სწავლის სურვილს შეუქმნის, რაც მათ ახალ ექსპერიმენტებს ჩაუტარებს და ეს პოზიტიური ციკლი გაგრძელდება მანამ, სანამ მომავალი კლასები არ იქნება სავსე ასეთი სახალისო და სასიამოვნო ექსპერიმენტებითა და პროექტებით.

ვიმედოვნებ, რომ ეს იქნება მრავალი სხვა ექსპერიმენტის და პროექტის დასაწყისი! თუ მოგეწონათ ეს სასწავლო და გამოსადეგი აღმოჩნდა, გთხოვთ ხმის მიცემა ქვემოთ "საკლასო მეცნიერების კონკურსში" და ნებისმიერი კომენტარი ან წინადადება მისასალმებელია! Გმადლობთ!:)

მეორე ადგილი საკლასო მეცნიერების კონკურსში