Robot balansujący, czyli kolejna próba zrozumienia regulatorów

[Leoneq]

Witam.

Chcę pokazać swoją kolejną konstrukcję, zapoczątkowaną w listopadzie zeszłego roku. Jest nim robot balansujący, który miał jedno specjalne zadanie - pomóc mi zrozumieć działanie regulatorów. Na początku myślałem "wystarczy jechać do przodu/do tyłu jak się robot przewraca" - byłem w ogromnym błędzie. Tak wygląda finalna wersja robota:

 

Tak więc, na początku obmyśliłem konstrukcję robota. Pod ręką miałem zmodyfikowane serwa SG90 do wykonywania pełnych obrotów - przykleiłem je do akumulatora, tam gdzie się dało dokleiłem klejem na gorąco Pro Mini, żyroskop i akcelerometr MPU6050, moduł z TP4056, wyłącznik i czujnik odbiciowy, jako prosty przełącznik do debugowania. Wszystko polutowałem, koła wydrukowałem na drukarce 3D - za "opony" posłużyły tutaj gumki recepturki.

Kod był prosty: odczytujemy aktualny kąt - jeżeli jest dodatni, jedziemy do przodu, jeżeli jest ujemny - do tyłu, a kiedy robot jest pionowy - wyłączamy silniki. Jak można się domyślać (ja się nie domyśliłem), robot nigdy nie osiągnął pozycji stabilnej. 

Zacząłem czytać projekty podobnych robotów. Dużo z nich wywnioskowałem. Przede wszystkim - kilka faktów o naturze robotów balansujących. Są one bardzo dobrym przykładem odwrotnego wahadła - tak samo działa np. balansowanie kija na palcu. Tam, gdzie kij upada - tam dajemy palec, zapobiegamy upadnięciu. Jako że potrafimy kojarzyć kilka zmysłów, i analizować to co z nich odbieramy, bez problemu dobieramy prędkość palca. Brak regulatora (tak jak było z robotem) skutkowałby tym, że palec przesuwalibyśmy z maksymalną prędkością w te i we wte - kij by się przewrócił. Robotowi zatem brakowało takiego regulatora, który by regulował prędkość silników. Jako, że serwa nie mogłem już regulować, konstrukcję zmieniłem: wykorzystałem silniki z Botlandu, z przodu dałem akumulator z Nokii z logiką. Z tyłu - mniejszy akumulator Li-ion z TP4056, i przetwornicą step-up,  dla silników. Wydrukowałem kolejne koła, tym razem "opony" są z TPU:

Zmiana konstrukcji przyniosła jeszcze jedną, ważną zmianę. Dlaczego kij nam łatwiej balansować od długopisu? Z moich "doświadczeń", wywnioskowałem że im kij jest dłuższy, tym jego drugi koniec ma dłuższą drogę do przebycia. Daje nam to więcej czasu na zbalansowanie go. Poprzedni robot był krótki - ok. 30mm, co dawało bardzo mały czas na dojechanie na miejsce. (bardzo chciałbym dać obliczenia, ale nie mam pojęcia o momencie czy prędkości silników).

Kod lekko zmieniłem, dodałem obsługę mostka H. Zaimplementowałem regulator PID - proporcjonalno-całkująco-różniczkujący, co (na razie) nic mi nie mówi. Jak przeczytałem, jest to jeden z najpopularniejszych regulatorów w robotyce. Nawet po przeczytaniu tego artykułu, dalej za dużo mi się nie rozjaśniło - brakuje mi wiedzy. Dlatego zacząłem się "bawić", eksperymentując z różnymi wartościami poszczególnych członów. Robot mimo wszystko ZA NIC nie chciał się ustabilizować (przy lekkiej pomocy, coś mu się udało). Zauważyłem, że brakuje mu "pary". Dlatego zamiast bawić się z tą konstrukcją, wydrukowałem jeszcze większe koła, o promieniu samego robota. Dzięki większemu obwodowi, pokonujemy większą drogę w tym samym czasie (kosztem momentu - jak coś pokręciłem, dajcie znać w komentarzach). No i bardzo ważna rzecz, robot przestał upadać - po upadku zaczyna się toczyć. Wyłączyłem wszystkie człony, za wyjątkiem proporcjonalnego. Po kilkunastu minutach eksperymentów, robot osiągnął pozycję stabilną. Mogłem mu w końcu zrobić zdjęcia, kiedy jest włączony:

Po eksperymentowaniu z pozostałymi członami, wywnioskowałem, że:

• człon całkujący (D) próbuje "przewidzieć" ruch robota. Za dużo tego członu spowodowało, że robot cały się trząsł - po odpowiednim dobraniu, robot był w miarę stabilny.
• człon różniczkujący (I) zamiast w przyszłość, patrzy w przeszłość. Po odpowiednim dobraniu, zmalała ilość oscylacji potrzebnych do osiągnięcia stanu stabilnego.

Człon proporcjonalny akurat zrozumiałem "na sucho" - im większy błąd, tym większa moc podawana na silnik. 

Napotkałem jednak jeden problem, który mnie przerósł...  napędy nie są jednakowe. Prawy napęd reaguje na dość małe napięcie i jest dokładny, ale lewy załącza się dopiero od pewnego progu, a wtedy pędzi dość szybko. Na to niestety nie wiem jak zaradzić, może w przyszłości coś będę jeszcze robił. Ważne, że robot spełnił swoje zadanie, bo całkiem dużo się dzięki niemu nauczyłem.

[Treker (Damian Szymański)]

@Leoneq gratuluje wyboru ambitnego tematu do nauki, zawsze fajnie eksperymentować na czymś tego typu. Mam tylko wrażenie, że utrudniłeś sobie mocno całe zadanie samą konstrukcją robota. Większość robotów balansujących jest jednak znacznie wyższa od średnicy swoich kół, a wszystko po to, aby jakaś większa masa mogła znaleźć się wysoko - wtedy łatwiej balansować konstrukcją. Analogicznie jak w przypadku próby balansowania kijem od miotły na jednym palcu - jest to znacznie łatwiejsze, gdy u góry znajduje się szczotka. Oczywiście wiem, że się uczysz i absolutnie nie traktuj tego jak krytykę, ale w sumie to nie wiem czy taką konstrukcję (patrząc na finalną wersję) można zaliczyć do kategorii robotów balansujących - zbudowałeś coś co raczej odbiega od tego typu konstrukcji 😉 Masz jakiś filmik, który pokazałby jak właściwie działa Twoja konstrukcja?

Zerknij na poniższe tematy, powinny być pomocne podczas budowy kolejnej konstrukcji:

• https://forbot.pl/forum/topic/8619-dwukolowy-robot-balansujacy/
• https://forbot.pl/forum/topic/9709-autonomiczy-robot-balansujacy/

[Leoneq]

Dziękuję ^^ Wiem że masa powinna być na górze, nie mam tylko co dać na górę - najwyżej sztucznie dociążyć, nie wiem czy to coś da. Filmik postaram się wrzucić pod wieczór, jak internet będzie odrobinę szybszy.

------------------------------------------------------------------------- edit:

  

Jest i filmik pokazujący działanie robota. Wiem że dużo nie potrafi, ale bardzo satysfakcjonujące jest jak robot w końcu stoi, a nawet można go lekko szturchnąć - po całym tygodniu kodowania i naprawiania po upadkach. Jak się nie zaliczy na rabat, to trudno, i tak już mi dużo pomógł 😛  

Edytowano Maj 2, 2020 przez Leoneq

[Anonim]

Dnia 2.05.2020 o 10:00, Leoneq napisał:

Napotkałem jednak jeden problem, który mnie przerósł...  napędy nie są jednakowe. Prawy napęd reaguje na dość małe napięcie i jest dokładny, ale lewy załącza się dopiero od pewnego progu, a wtedy pędzi dość szybko. Na to niestety nie wiem jak zaradzić, może w przyszłości coś będę jeszcze robił. Ważne, że robot spełnił swoje zadanie, bo całkiem dużo się dzięki niemu nauczyłem.

To najprostszy problem jaki jest w tym projekcie do rozwiązania, ustaw sobie próg dla pwm w tym mocniejszym silniku, może sie przydać jakiś czujnik szczelinowy czy coś do zmierzenia różnicy pomiędzy prędkością obrotów obu silniczków. Lepiej jak by to były same silniki dc zamiast serw łatwiej byłoby różnicę zniwelować, choćby rezystorem po stronie tego mocniejszego ale to mało eleganckie rozwiązanie. Różnicę przeliczaj sobie na % łatwiej będzie wtedy obliczyć progi i moc. Ogólnie fajne koromysło Ci wyszło 🙂

Jak ogarniesz pid to polecam pobawić się AI od st w takiej konstrukcji i porównać różnicę zachowania np. przy podjeździe na pochyłości po osiągnięciu szczytu wzniesienia w wersji z pid i wersji z AI. Fana zabawa.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Leoneq]

Właśnie problem jest taki, że jeden silnik jest normalny, a drugi "załącza się" od pewnego napięcia - niżej się nie załączy. Próbowałem różne progi ustawiać, skutkowało to zbyt nagłymi ruchami robota.

[Anonim]

Wymień silniki na dc albo wywal z tych serw elektronikę i zostaw same silniki z przekładniami. Będzie mniej "a może" do analizowania.

To o czym piszesz też się da skompensować ale wymaga testów, czujnik szczelinowy/odbiciowy wystarczy i jakieś arduino do pomiarów.

[Leoneq]

Silniki obecnie są zwykłe z przekładniami xd
W artykule chyba nawet link jest do nich. Musiałbym chyba sam silnik wymienić, albo w przekładnię zajrzeć. Jak znajdę chwilę to jeszcze się pobawię z tymi napędami, najwyżej wymienię na te żółte 48:1.