Lego Robotlarla PID Kontrolü Öğretimi: 14 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:20

Birçok genç robot meraklısı, daha gelişmiş kontrol konularıyla ilgilenir, ancak genellikle kapalı döngü sistemlerini analiz etmek için gerekli olan matematik tarafından engellenebilir. "Oransal İntegral Diferansiyel Denetleyici" (PID Denetleyici) yapımını basitleştiren çevrimiçi olarak harika kaynaklar var ve harika bir açıklama burada:

Bununla birlikte, bunları takip etmek zor olabilir ve yaklaşık 20 kişilik bir sınıf için uygun olmayabilir.

Bu adım adım Eğitilebilir Tablo, öğrencilerle dolu bir odanın Lego robot sistemini, bir dizi robotu (5 ila 10 tanesi), NXT 2.0 çalıştıran eşit sayıda bilgisayar iş istasyonunu ve yedi ayaklık siyah çizgiyi kullanarak nasıl başarılı bir şekilde öğretileceğini gösterir. yerdeki elektrik bandı.

KENDİ: Yukarıdaki bağlantıyı yazan J. Sluka'ya, ECPI Üniversitesi düzeyinde bazı erken Lego laboratuvarları oluşturan Dr. Bruce Linnell'e ve EET220 ve Capstone kursu.

Adım 1: Öğrenciler Gelmeden Önce Laboratuvar Hazırlığı

Öğrencilerinize sıkı çalışmanız hakkında bilgi verin;-)

Eğitmenler ve öğretim asistanları bu laboratuvarı yapmanız için hazırlanmakla ÇOK meşguldü! Robot bu laboratuvar için şarj edildi ve monte edildi. Montaj gerekiyorsa, bu bir veya daha fazla robot için 90 dakika kadar sürebilir. Pilleri şarj etmek veya şarj/deşarj döngüleriyle koşullandırmak için daha da fazla zamana ihtiyaç vardır. Bugün kullanacağımız robotun nasıl oluşturulacağına dair ayrıntılı talimatlar için NXT 2.0 veya 2.1 Eğitim seti, “bir çizgiyi takip et” robotu Yapı Kılavuzuna bakın. Yine de daha karmaşık programlama kullanacağız… Açık renkli muşamba üzerine siyah elektrik bandı harika bir iz yapar. Bu, yarım daire eğrileri olan 3' x 7'.

Adım 2: Robotu Tanıyın

İlk olarak, robot menüsüne ve bu robotun bazı bölümlerine aşina olacaksınız. Ayrıca, ışık yayan diyotlar, ışık sensörleri, adım motorları ve dönüş konumu sensörleri dahil olmak üzere robot tarafından kullanılan endüstriyel stil sensör teknolojisi hakkında bilgi edineceksiniz. Lütfen istenen tüm bilgileri doldurduğunuzdan emin olun (genellikle altı çizili boşluklar _).

1. Robotu şarj cihazından ve/veya PC'nizin USB bağlantı noktasından çıkarın. Robotu açmak için Turuncu düğmeyi kullanın. Turuncu, sol ve sağ düğmeler ve "geri" gri dikdörtgen düğmesi menüde gezinmeye izin verir. “Yazılım Dosyaları” menüsüne gidin ve robottaki mevcut yazılım dosyaları arasında gezinin. Her bir yazılım dosyasının adlarını, büyük harf ve boşluklar dahil olmak üzere tam olarak nasıl yazıldığını listeleyin:

_

Adım 3: Işık Sensörünü Kalibre Edin

2 Işık sensörünü ve kalibrasyon bilgilerini inceleyin. Ana menüye geri dönün ve “Görüntüle”yi seçin. “Yansıyan Işık” seçeneğini ve ışığın yanmasını ve ekranda bir sayının görüntülenmesini sağlayan Bağlantı Noktasını (“Port 3” olmalıdır) seçin. Her şeyin çalıştığından emin olun ve bazı kalibrasyon bilgilerini kaydedin.

a. Beyaz bir kağıt kullanarak maksimum okuma: Sayı:_ Kağıttan yaklaşık uzaklığı tanımlayın: _

B. Açık renkli muşamba zemin üzerindeyken Maksimum Okuma: _

C. Siyah elektrik bandının ortasına işaret ederken Minimum Okuma: _

Adım 4: Motor Kalibrasyonunu Test Edin

3 Tekerlek motorlarını (sol ve sağ) ve kalibrasyon bilgilerini inceleyin. Ana menüye geri dönün ve “Motor Döndürmeleri”ni seçin Bağlantı Noktasını seçin (iki motor için “Port B” veya “Port C” olmalıdır). Okumayı görüntülerken her bir motoru sabit sayıda dönüş yaparak bu okumanın kalibrasyonunu kontrol edip edemeyeceğinize bakın. “Görünüm” à “Motor Dereceleri” kalibrasyon ekranını kullanarak her iki motor için de aynı kalibrasyon testini yapacaksınız.

B Limanındaki Motor

• Tekerleği döndürme sayısı _
• "Motor Rotasyonları" ekran değeri_
• Derece çarkı cinsinden mesafe döndürüldü _
• "Motor Dereceleri" ekran değeri_

C Limanındaki Motor

• Tekerleği döndürme sayısı _
• "Motor Rotasyonları" ekran değeri_
• Derece çarkı cinsinden mesafe döndürüldü _
• "Motor Dereceleri" ekran değeri_

Görüntülenen değerler beklentilerinizi karşıladı mı? Lütfen açıkla. _

Adım 5: Sağlanan Açma-Kapama Denetleyicisini Çalıştırın

Bir "Açık-Kapalı" (bazen "Bang-Bang" olarak adlandırılır) denetleyicinin yalnızca iki seçeneği vardır, açık ve kapalı. Evinizdeki termostat kontrolüne benzer. Seçilen sıcaklığa ayarlandığında, termostat çok soğuksa evi ısıtır ve çok sıcaksa evi soğutur. Seçilen sıcaklığa "Ayar Noktası" denir ve mevcut ev sıcaklığı ile Ayar Noktası arasındaki farka "Ayar Noktası" denir. "Hata" olarak adlandırılır. Yani, Hata Pozitif ise AC'yi açın, aksi halde ısıyı açın diyebilirsiniz.

Bizim durumumuzda, ışık sensörünün Ayar Noktasında pozitif veya negatif bir hata olup olmamasına (beyaz zeminde çok fazla veya siyah bantta çok fazla) bağlı olarak robot Sola veya Sağa dönecektir.

Robotunuzun üzerinde “1 line” ve “2 line” gibi isimlerle saklanan bir dizi programla yüklü olabileceğini (veya buraya gömülü "01 line.rbt" dosyasını kullanabilirsiniz) fark edeceksiniz ve orada da program numarasından sonra “3b satırı” gibi ek bir harf olabilir. Adında “1” yazan programı çalıştırmanız ve ardından robotu senor siyah çizgide olacak şekilde teyp üzerine yerleştirmeniz gerekecektir. Diğer robotlara çarpmadan kesintiye uğramadan robotunuzu zamanlamak için yolda olan diğer robotlardan uzak durmaya çalışın.

4 Aşağıdaki zaman denemelerini ölçün:

a. Parkurun bir düz tarafını tamamlama zamanı: _

B. Düz hatlı robot hareketini tanımlayın: _

C. Parkurun bir virajını tamamlama zamanı: _

NS. Kavisli paletli robot hareketini tanımlayın: _

e. Pisti tamamen bir kez dolaşma zamanı: _

Adım 6: "01 Line" On-Off Controller Yazılımını açın

“LEGO MINDSTORMS NXT 2.0” yazılımını (Edu 2.1 yazılımı değil) açacaksınız ve "01 line.rbt" adlı uygun programı yükleyecek ve aşağıdaki talimatları izleyerek yazılımı inceleyip değiştireceksiniz:

“LEGO MINDSTORMS NXT 2.0” yazılımını açın (Edu 2.1 yazılımını değil). Eğitmeniniz size dosyaların bilgisayarınızda nerede saklandığını söyleyecek ve bu konumdan “1 satır” programını açacaksınız. Basitçe “Dosya” ve ardından “Aç” ı seçin ve açmak için “1 satır” programını seçin.

Program açıldığında, programın tüm ekran görüntüsünü hareket ettirmek için "el" simgesini kullanabilir ve nasıl çalıştıklarını görmek (ve ayrıca değişiklik yapmak) için tek tek nesnelere tıklamak için "ok" simgesini kullanabilirsiniz..

Adım 7: "01 Line" On-Off Denetleyici Yazılımını Anlama

“1 satır” programı “Açma-Kapama” kontrol yöntemini kullanır. Bu durumda seçenekler “Sola Dön” veya “Sağa Dön” şeklindedir. Grafik, program öğelerinin bir açıklamasını içerir:

Adım 8: "01 Line" On-Off Kontrolör Yazılımını Düzenleme

Ayar noktasını değiştirin ve sonuçları karşılaştırın.

Yukarıdaki 2. adımda ışık ölçerin bazı gerçek dünya değerlerini keşfettiniz. Parça b ve c'deki değerleri, robotun parkuru çalıştırırken göreceği minimum ve maksimum değerleri kaydettiniz.

5 İYİ bir ayar noktası değeri hesaplayın (min ve max'ın ortalaması): _

6 Bir KÖTÜ set-pint değeri seçin (min veya maksimuma çok yakın bir sayı): _

Hata hesaplama kutusuna tıklamak için ok simgesini kullanarak ve çıkarılan sayıyı değiştirerek ayar noktasını bu değerlerden birine değiştirin (aşağıdaki resme bakın). Şimdi robotu USB kablosunu kullanarak PC'ye bağlayın, robotun açık olduğundan emin olun ve “1 satır” programının yeni sürümünü robota indirin. Robotun, bir kez İYİ ayar noktası ve bir kez de KÖTÜ ayar noktası ile pistte saat yönünde ne kadar sürede dolaştığını göreceksiniz.

7 İYİ ve KÖTÜ ayar noktası değerleriyle tam zamanlı denemeler

a. Pistte bir kez tamamen dolanma zamanı (İYİ Ayar Noktası): _

B. Pistte bir kez tamamen dolaşma zamanı (KÖTÜ Ayar Noktası): _

Gözlemleriniz / Sonuçlarınız? _

Adım 9: Dead-Zone Controller Yazılımı ile "02 Line" On-Off'u Anlama

Evinizdeki AC ve Isı tüm gün açılıp kapanmaya devam ederse, HVAC sisteminizi kesinlikle bozabilir (veya en azından ömrünü kısaltabilir). Çoğu termostat, yerleşik bir "ölü bölge" ile yapılır. Örneğin, ayar noktanız 70 derece Fahrenhayt ise, termostat AC'yi 72 dereceye ulaşana kadar açmayabilir veya sıcaklık 68 dereceye düşene kadar ısıyı açmayabilir. Ölü bölge çok genişlerse, ev rahatsız olabilir.

Bizim durumumuzda, robotun sadece düz gideceği bir ölü bölge eklemek için 02 satır programını kullanacağız.

Şimdi Yazılım Dosyası “02 satırı”nı grafikte açıklandığı ve ekli dosyada yer aldığı şekilde inceleyin.

Bu yazılım dosyası, robotu bir Diferansiyel Boşluğu ile Açma-Kapama kontrolünü kullanarak çizgiyi takip edecek şekilde programlar. Bu aynı zamanda Deadband olarak da bilinir ve bu, hataya bağlı olarak robotun sola veya sağa döneceği, ancak hata küçükse robotun düz gideceği anlamına gelir.

“02 satırı” programı, önce Işık Ölçümünden ayar noktasını çıkararak ve ardından yukarıda belirtildiği gibi karşılaştırmaları yaparak yukarıdakileri hesaplar. Bilgisayardaki programı inceleyin ve gördüğünüz değerleri kaydedin.

Set-Point'in “2 satır” programlarının mevcut (orijinal) değeri nedir? _

“2 satır” programlarının güncel (orijinal) değeri nedir “Büyük” Pozitif Hata? _

“2 satır” programlarının güncel (orijinal) değeri nedir “Büyük” Negatif Hata? _

Hangi Ölü Bant hata aralığı robotun düz gitmesine neden olur? _'DEN _

Yukarıdaki "Büyük" hata için farklı değerlerle üç (3) kez deneme yapın. Mevcut “2 satır” ayarının yanı sıra hesaplayacağınız diğer iki ayar. Robotunuz için zaten İYİ bir Ayar Noktası seçtiniz. Şimdi iki farklı Ölü Bant aralığı seçecek ve robotun saat yönünde bir tur yapması için geçen süreyi kaydedeceksiniz:

02 satır için orijinal ayarlar _

+4 ila -4 Ölü Bant _

+12 ila -12 arası Ölü Bant _

Adım 10: "03 Line" Oransal Denetleyici Yazılımını Anlama

Orantılı kontrol ile, sadece ısıyı açıp kapatmıyoruz, fırını ne kadar çalıştıracağımıza dair birkaç ayara sahip olabiliriz (bir ocak üstündeki alevlerin boyutu gibi). Robot durumunda, sadece üç motor ayarına sahip değiliz (sol, sağ ve düz). Bunun yerine, çok çeşitli dönüş hızları elde etmek için sol ve sağ tekerleklerin hızını kontrol edebiliriz. Hata ne kadar büyük olursa, o kadar çabuk çizgiye geri dönmek isteriz.

“03 line” programı ile Oransal Kontrole bakalım.

“03 satırı” için program daha karmaşıktır çünkü sadece “Oransal” kontrol yöntemini kurmakla kalmaz, aynı zamanda Oransal-İntegral, Oransal-Diferansiyel ve Oransal-İntegral-Diferansiyel (PID) kontrollerini yapmak için tüm yazılımları içerir.. Yazılımı yüklediğinizde, muhtemelen ekrana aynı anda sığmayacak kadar büyük olacaktır, ancak ekteki grafikte gösterildiği gibi gerçekten üç bölümden oluşmaktadır.

A - Hatayı hesaplamak için matematik ve zaman içinde hatanın integralini ve türevini bulmak için "hesap".

B – Kp, Ki ve Kd'nin PID kontrol ayarlarına dayalı olarak sol motor hızını hesaplama matematiği

C – Motor hız sınırlarını test etme ve sol ve sağ motorlara doğru motor hızlarını gönderme matematiği.

Bunların üçü de (başlatmadan sonra) kendi sonsuz döngülerini çalıştırır ve "el" simgesini kullanarak gezinebilirsiniz, ancak kutu içeriğini incelemek ve ayarları değiştirmek için "ok" simgesine geri dönebilirsiniz.

Adım 11: 03 Satırı (Oransal Kontrol) Programının Düzenlenmesi

Orta bölümde (önceki açıklamada bölüm B) “03 line” programında Ki ve Kd ayarlarının her ikisinin de 0 olduğunu fark edeceksiniz.

Onları öyle bırakalım. Sadece kontrolörün Orantılı kısmı olan Kp'nin değerini değiştireceğiz.

Kp, robotun çizgiden uzaklaştıkça hızı ne kadar düzgün değiştireceğine karar verir. Kp çok büyükse, hareket son derece sarsıntılı olacaktır (Açma-Kapama kontrolörüne benzer). Kp çok küçükse, robot çok yavaş düzeltmeler yapacak ve özellikle virajlarda çizgiden çok uzağa sürüklenecektir. Hatta çizgiyi tamamen kaybedecek kadar sürüklenebilir!

13 “03 line” programı hangi Set-Point'i kullanıyor? (A döngüsündeki ışık ayarını okuduktan sonra çıkarılır)_

14 Mevcut “03 satır” programında Kp değeri nedir? _

Oransal Kontrolör için Zaman Denemeleri (“3 satır” programı)

Zaman denemesi yapmak için robotunuzun hafızasında kayıtlı olan “03 hat” programı için orijinal ayarları kullanacaksınız ve ayrıca toplam üç zamanlı deneme ölçümü için “03 hat” programında iki değişiklik daha kullanacaksınız. Yapacağınız değişiklikler şunları içerir:

DRIFTY - Robotu çok yavaş sürükleyen ve muhtemelen çizgiyi gözden kaçıran (ama umarım olmaz) bir Kp değeri bulmak. Robotun Drift yaptığı, ancak çizgide kaldığı bir noktaya gelene kadar 0,5 ile 2,5 (veya başka bir değer) arasında farklı bir Kp değeri deneyin.

JERKY - Açık-Kapalı hareket tipine çok benzer şekilde robotu ileri geri sallayan bir Kp değeri bulmak. Robotun ileri geri hareketi sergilemeye başladığı, ancak çok dramatik olmayan bir noktaya gelene kadar 1,5 ile 3,5 (veya başka bir değer) arasında bir Kp değeri deneyin. Bu aynı zamanda Kp'nin “kritik” değeri olarak da bilinir.

Parkur etrafında saat yönünde tam bir dönüş için zaman denemeleri, yalnızca orijinal “3 çizgi” değerleri ve robotun yalnızca kısa bir iz uzunluğunu takip etmesini sağlayarak keşfedeceğiniz iki yeni değer kümesi (DRIFTY ve JERKY) ile gereklidir. Değişiklikleri her seferinde robotunuza indirmeyi unutmayın!

15 Bu üç Kp değerinin (orijinal 03 satır değeri ve deneme yanılma ile belirlediğiniz iki değer) her biri için “3 satır” programı için Oransal Kontrol değerlerini ve Zaman Denemelerini kaydedin (değişiklikleri robota indirmeyi unutmayın!) DRIFTY ve JERKY olmak).

Adım 12: Gelişmiş PID Kontrolörleri

Bu adıma başlamadan önce, bu laboratuvar için kullanmayı düşündüğünüz robotla istenen tüm bilgileri kaydederek önceki adımları tamamladığınızdan emin olun. Her robot, mekanik yönler, motor yönler ve özellikle pistteki ışık sensörü sonuçları açısından biraz farklıdır.

Önceki deneylerden ihtiyaç duyacağınız sayılar

16 Maksimum Işık Sensörü Okuması (2. adımdan itibaren) _

17 Minimum Işık Sensörü Okuması (5. adımdan itibaren) _

Ayar Noktası için 18 İYİ ayar (yukarıdakilerin ortalaması) _

19 Kp için DRIFTY ayarı (15. adımdan itibaren) _

Kp için 20 JERKY (kritik) ayarı (15. adımdan itibaren) _

PID Denetleyicisini Anlama

Endüstriyel Kontroller kursunun bir parçası olarak Orantılı İntegral Diferansiyel (PID) kontrolörü hakkında bilgi edinmiş olabilirsiniz ve Wikipedia'da (https://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller) iyi bir hızlı genel bakış var.

Bu deneyde ölçülen değer, zeminden yansıyan ışık miktarıdır. Ayar noktası, robot doğrudan siyah bandın kenarının üzerindeyken istenen ışık miktarıdır. Hata, mevcut ışık okuması ile ayar noktası arasındaki farktır.

Oransal kontrolör ile sol motorun hızı hatayla orantılıydı. özellikle:

Hata = Işık Okuma – Ayar Noktası

Bu grafikte, ayar noktası 50'ye ayarlanmıştır.

Daha sonra, Sol Motorun hızını bulmak için hatayı, özellikle Oranlama sabiti “Kp” ile çarparız:

L Motor = (Kp * Hata) + 35

Bu grafikte Kp 1.5 olarak ayarlandığında ve 35'in eklenmesi programın başka bir bölümünde gerçekleşir. -40 ila +40 aralığındaki bir sayıyı 10 ila 60 (makul motor hızları) arasında bir sayıya dönüştürmek için 35 değeri eklenir.

İntegral geçmişin bir tür hafızasıdır. Hata uzun süredir kötüyse, robot ayar noktasına doğru hızlanmalıdır. Ki, İntegral ile çarpmak için kullanılır (integral, hataların devam eden toplamıdır - bu durumda, her yinelemede 1,5 oranında azaltılır, böylece robot geçmişteki hataların “solma belleğine” sahip olur).

Türev, bir tür gelecek tahminidir. Son hatayı mevcut hatayla karşılaştırarak gelecekteki bir hatayı tahmin ediyoruz ve hata değişim oranının bir şekilde doğrusal olacağını varsayıyoruz. Gelecekteki hatanın ne kadar büyük olacağı tahmin edilirse, ayar noktasına o kadar hızlı gitmemiz gerekir. Kd, Türev ile çarpmak için kullanılır (türev, mevcut hata ile önceki hata arasındaki farktır).

L Motor = (Kp * Hata) + (Ki * İntegral) + (Kd * Türev) + 35

Adım 13: En İyi PID Parametrelerini Bulma

PID parametrelerini bulmak için kullanılabilecek birkaç yol vardır, ancak durumumuzun parametreleri bulmak için daha "manuel" deneysel bir yol kullanmamıza izin veren benzersiz yönleri vardır. Sahip olduğumuz benzersiz yönler şunlardır:

• Deneyciler (siz) makinenin çalışma şeklini iyi biliyor
• Kontrolör çıldırırsa kişisel yaralanma tehlikesi yoktur ve ayrıca kötü kontrolör ayarları nedeniyle robota zarar verme tehlikesi de yoktur.
• Işık sensörü çok özensiz bir algılama cihazıdır ve yalnızca bir ışık sensörü vardır, bu nedenle yalnızca marjinal olarak iyi bir sonuç elde etmeyi umabiliriz. Bu nedenle, deneylerimiz için "en iyi çaba" yeterlidir.

İlk olarak, en iyi Kp'ye karar vermek için zaten "03 çizgisini" kullandık (yukarıdaki İYİ Ayar noktası ve JERKY Kp değerleri adım 18 ve 20). Kp için JERKY değerini nasıl bulduğumuzla ilgili talimatlar için ilk grafiğe bakın.

Ki'yi belirlemek için “04 line” yazılımını kullanın. İlk önce “4 satırı”nı yukarıdaki 18 ve 20. maddelerde kaydettiğimiz değerlere sahip olacak şekilde değiştireceğiz. Ardından, bizi gerçekten çok hızlı bir şekilde ayar noktasına taşıyan bir değer elde edene kadar Ki'yi yavaşça artıracağız. Ki için değerin nasıl seçileceğine ilişkin talimatlar için ikinci grafiğe bakın.

21 Ayar noktasına en hızlı oturan Ki'nin EN HIZLI değeri (bazı aşımlarda bile) _

Kd'yi belirlemek için “05 line” yazılımını kullanın. Önce “5 çizgisini” 18, 20 ve 21 adımlarındaki değerlerle değiştirin, ardından ayar noktasına hızla ve varsa çok az aşımla ulaşan son çalışan robotu elde edene kadar Kd'yi artırın. Üçüncü grafik, Kd'nin nasıl seçileceğine ilişkin talimatları gösterir.

22 OPTİMAL Kd Değeri _

23 ROBOTUNUZUN ŞİMDİ PARÇAYI DAİRELEMESİ NE KADAR SÜRE ALIR ??? _

Adım 14: Sonuç

Laboratuvar deneyi çok iyi gitti. Yaklaşık 20 öğrenci ile, ilk grafikte gösterilen 10 (on) iş istasyonu + robot kurulumunu kullanarak, hiçbir zaman bir kaynak tıkanıklığı olmadı. Zaman denemeleri için bir seferde en fazla üç robot pistte dönüyordu.

PID kontrol bölümünü (en azından "04 satır" ve "05 satır" programları) içerdiği kavramlar nedeniyle ayrı bir güne ayırmanızı öneririm.

İşte seçtiğim değerleri kullanarak kontrollerin ilerlemesini ("01 satır"dan "05 satıra" kadar) gösteren bir video dizisi - ancak her öğrenci biraz farklı değerler buldu, bu da beklenen bir şey!

UNUTMAYIN: Çok iyi hazırlanmış robot ekiplerin yarışma etkinliklerinde başarısız olmasının en önemli nedenlerinden biri, etkinliğin tam olarak gerçekleşeceği yerde kalibrasyon yapmamalarıdır. Sarsıntı nedeniyle sensörlerin aydınlatması ve hafif konum değişiklikleri parametre değerlerini büyük ölçüde etkileyebilir!

• Lego Robotlar ile 01 hat (Açık-Kapalı) PID Kontrolü -
• 02 hattı (Ölü Bölge ile Açık-Kapalı) Lego Robotlarla PID Kontrolü -
• Lego Robotlar ile 03 satır (Oransal) PID Kontrolü -
• Lego Robotlar ile 04 satır (Oransal-İntegral) PID Kontrolü -
• Lego Robotlar ile 05 satır (Oransal-İntegral-Türev) PID Kontrolü -