Շրջված ճոճանակ. Վերահսկման տեսություն և դինամիկա. 17 քայլ (նկարներով)

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:48

Շրջված ճոճանակը դասական խնդիր է դինամիկայի և վերահսկման տեսության մեջ, որն ընդհանրապես մշակվում է ավագ դպրոցի և բակալավրիատի ֆիզիկայի կամ մաթեմատիկայի դասընթացներում: Լինելով մաթեմատիկայի և բնագիտության սիրահար ՝ ես ինքս որոշեցի փորձել և իրականացնել այն հասկացությունները, որոնք ես սովորել էի իմ դասերի ընթացքում `շրջված ճոճանակ կառուցելու համար: Իրական կյանքում նման հասկացությունների կիրառումը ոչ միայն օգնում է ամրապնդել հասկացությունների ըմբռնումը, այլև ձեզ ենթադրում է խնդիրների և մարտահրավերների բոլորովին նոր հարթության մեջ, որոնք առնչվում են գործնականությանը և իրական կյանքի իրավիճակներին, որոնց տեսության դասերին երբեք չեք հանդիպի:

Այս ուսանելի նյութում ես նախ կներկայացնեմ շրջված ճոճանակի խնդիրը, այնուհետև կանդրադառնամ խնդրի տեսական կողմին, այնուհետև կքննարկեմ ապարատային և ծրագրային ապահովումը, որոնք անհրաժեշտ են այս հայեցակարգը կյանքի կոչելու համար:

Ես առաջարկում եմ դիտել տեսանյութը, որը կցված է վերևում ՝ ուսանելիի միջով անցնելիս, ինչը ձեզ ավելի լավ հասկանալու հնարավորություն կտա:

Եվ վերջապես, խնդրում ենք չմոռանալ քվեարկել «Դասարանային գիտության մրցույթում», եթե ձեզ դուր եկավ այս նախագիծը և ցանկացած հարցի ազատ թողեք ստորև բերված մեկնաբանությունների բաժնում: Երջանիկ պատրաստում::)

Քայլ 1: Խնդիր

Շրջված ճոճանակի խնդիրը նման է ցախավելը կամ երկար ձողը ափի մեջ հավասարակշռելուն, ինչը մեզանից շատերը փորձել են մանուկ հասակում: Երբ մեր աչքերը տեսնում են, որ բևեռը ընկնում է ինչ -որ կողմ, նրանք ուղարկում են այս տեղեկատվությունը ուղեղին, որն իրականացնում է որոշակի հաշվարկներ, այնուհետև հրահանգում է ձեր թևին որոշակի արագությամբ շարժվել որոշակի դիրքի ՝ բևեռի շարժմանը հակազդելու համար, ինչը, հուսանք, հետադարձ բևեռը դեպի ուղղահայաց: Այս գործընթացը կրկնվում է վայրկյանում մի քանի հարյուր անգամ, ինչը բևեռը ամբողջությամբ պահում է ձեր վերահսկողության տակ: Շրջված ճոճանակը գործում է նույն ձևով: Նպատակն այն է, որ ճոճանակը հավասարակշռվի գլխիվայր շրջված սայլի վրա, որը թույլատրվում է տեղաշարժվել: Աչքերի փոխարեն սենսոր է օգտագործվում ճոճանակի դիրքը հայտնաբերելու համար, որը տեղեկատվությունը փոխանցում է համակարգիչ, որն իրականացնում է որոշակի հաշվարկներ և հրահանգում է շարժիչներին տեղափոխել սայլը այնպես, որ ճոճանակը նորից ուղղահայաց դարձնի:

Քայլ 2: Լուծում

Aոճանակը գլխիվայր հավասարակշռելու այս խնդիրը պահանջում է պատկերացում այն համակարգում գործող շարժումների և ուժերի մասին: Ի վերջո, այս հասկացությունը մեզ թույլ կտա գալ համակարգի «շարժման հավասարումներ», որոնք կարող են օգտագործվել գործիչներին գնացող ելքի և տվիչներից ստացվող մուտքերի միջև հարաբերությունները հաշվարկելու համար:

Շարժման հավասարումները կարող են ստացվել երկու եղանակով ՝ կախված ձեր մակարդակից: Դրանք կարող են կամ ստացվել ՝ օգտագործելով Նյուտոնի հիմնական օրենքները և ավագ դպրոցի մաթեմատիկայի որոշ օրենքներ, կամ օգտագործելով Լագրանգյան մեխանիկան, որն ընդհանուր առմամբ ներդրվում է ֆիզիկայի բակալավրիատի դասընթացներում: (Նշում. Նյուտոնի օրենքների կիրառմամբ շարժման հավասարումների ստացումը պարզ է, բայց հոգնեցուցիչ, մինչդեռ Լագրանգյան մեխանիկայի օգտագործումը շատ ավելի էլեգանտ է, բայց պահանջում է Լագրանգյան մեխանիկայի ըմբռնում, թեև երկու մոտեցումներն էլ ի վերջո հանգեցնում են միևնույն լուծման):

Երկու մոտեցումներն ու դրանց պաշտոնական ածանցումները սովորաբար լուսաբանվում են մաթեմատիկայի կամ ֆիզիկայի բարձր դասարաններում կամ բակալավրիատում, չնայած դրանք հեշտությամբ կարելի է գտնել ՝ օգտագործելով պարզ Google որոնում կամ այցելելով այս հղումը: Դիտարկելով շարժման վերջնական հավասարումները, մենք նկատում ենք հարաբերություն չորս մեծությունների միջև.

• Theոճանակի անկյունը ուղղահայացին
• Theոճանակի անկյունային արագությունը
• Theոճանակի անկյունային արագացումը
• Սայլի գծային արագացումը

Այն դեպքում, երբ առաջին երեքը մեծություններ են, որոնք պետք է չափվեն սենսորով, իսկ վերջին քանակը կուղարկվի շարժիչին կատարելու համար:

Քայլ 3. Վերահսկողության տեսություն

Վերահսկողության տեսությունը մաթեմատիկայի ենթադաշտ է, որը զբաղվում է ինժեներական գործընթացներում և մեքենաներում դինամիկ համակարգերի վերահսկման և գործարկման հետ: Նպատակն է `կայունության հասնելու համար մշակել վերահսկման մոդել կամ կառավարման օղակ: Մեր դեպքում հավասարակշռեք գլխիվայր ճոճանակը:

Կառավարման օղակների երկու հիմնական տեսակ կա ՝ բաց օղակի վերահսկում և փակ օղակի հսկողություն: Բաց օղակի հսկողություն իրականացնելիս հսկիչ գործողությունը կամ վերահսկիչից ստացված հրամանը անկախ է համակարգի ելքից: Դրա վառ օրինակը վառարանն է, որտեղ վառարանի մնալու ժամանակը զուտ կախված է ժամաչափից:

Մինչդեռ փակ շրջափակման համակարգում վերահսկիչի հրամանը կախված է համակարգի վիճակի արձագանքից: Մեր դեպքում, հետադարձ կապը ճոճանակի անկյունն է `նշելով նորմալը, որը որոշում է սայլի արագությունն ու դիրքը, հետևաբար այս համակարգը դարձնելով փակ շրջափակման համակարգ: Վերևում կցված է տեսողական ներկայացում ՝ փակ շրջանաձև համակարգի բլոկ -դիագրամի տեսքով:

Գոյություն ունեն հետադարձ կապի մեխանիզմների մի քանի տեխնիկա, բայց ամենաօգտագործվածներից մեկը համամասնական -ինտեգրալ -ածանցյալ վերահսկիչն է (PID վերահսկիչ), ինչը մենք կօգտագործենք:

Նշում. Նման կարգավարների աշխատանքը հասկանալը շատ օգտակար է հաջողակ վերահսկիչ ստեղծելու համար, թեև նման վերահսկիչի գործողությունների բացատրությունը դուրս է այս հրահանգի շրջանակներից: Եթե ձեր դասընթացի ընթացքում չեք հանդիպել այս կարգի վերահսկիչներին, կան նյութերի փաթեթներ առցանց, և Google- ի պարզ որոնումը կամ առցանց դասընթացը կօգնի:

Քայլ 4: Այս ծրագրի իրականացումը ձեր դասարանում

Տարիքային խումբ. Այս նախագիծը հիմնականում նախատեսված է ավագ դպրոցի կամ բակալավրիատի ուսանողների համար, բայց կարող է ներկայացվել նաև փոքր երեխաներին պարզապես որպես ցուցադրում `հասկացությունների ակնարկ ներկայացնելով:

Overedածկված հասկացություններ. Հիմնական հասկացությունները, որոնք ընդգրկված են այս նախագծում, դինամիկայի և վերահսկման տեսությունն է:

Պահանջվող ժամանակը. Երբ բոլոր մասերը հավաքվեն և պատրաստվեն, հավաքումը տևում է 10 -ից 15 րոպե: Կառավարման մոդելի ստեղծումը պահանջում է ավելի շատ ժամանակ, դրա համար ուսանողներին կարող է տրվել 2 -ից 3 օր ժամանակ: Երբ յուրաքանչյուր առանձին ուսանող (կամ ուսանողների խումբ) մշակի իր կառավարման համապատասխան մոդելները, մեկ այլ օր կարող է օգտագործվել անհատների կամ թիմերի ցուցադրման համար:

Այս նախագիծը ձեր դասարանում իրականացնելու եղանակը կլինի համակարգի կառուցումը (նկարագրված է հաջորդ քայլերում), մինչդեռ խմբաքանակն աշխատում է ֆիզիկայի ենթաթեմաներին `կապված դինամիկայի հետ, կամ երբ նրանք մաթեմատիկայի դասերին վերահսկման համակարգեր են ուսումնասիրում: Այս կերպ, գաղափարներն ու հասկացությունները, որոնց հանդիպում են դասի ընթացքում, կարող են ուղղակիորեն կիրառվել իրական աշխարհի ծրագրում `դարձնելով նրանց հասկացությունները շատ ավելի հստակ, քանի որ չկա ավելի լավ միջոց` սովորելու նոր հայեցակարգ, քան իրական կյանքում այն կիրառելը:

Կարելի է կառուցել մեկ համակարգ ՝ միասին որպես դաս, այնուհետև դասը կարելի է բաժանել թիմերի ՝ յուրաքանչյուրը զրոյից կառուցելով կառավարման մոդել: Յուրաքանչյուր թիմ այնուհետև կարող է ցուցադրել իր աշխատանքը մրցույթի ձևաչափով, որտեղ կառավարման լավագույն մոդելը այն մոդելն է, որը կարող է հավասարակշռել ամենաերկարը և դիմանալ ճնշումներին և ուժեղ հրումներին:

Այս նախագիծը ձեր դասարանում իրականացնելու մեկ այլ տարբերակ կլինի մեծ երեխաներին (ավագ դպրոցի մակարդակ) դարձնելը, զարգացնել այս նախագիծը և ցուցադրել այն փոքր երեխաներին ՝ միաժամանակ նրանց տալով դինամիկայի և վերահսկման ակնարկ: Սա կարող է ոչ միայն հետաքրքրություն առաջացնել փոքր երեխաների համար ֆիզիկայի և մաթեմատիկայի համար, այլև կօգնի ավագ ուսանողներին բյուրեղացնել տեսության իրենց հասկացությունները, քանի որ ձեր հասկացություններն ամրապնդելու լավագույն միջոցներից մեկը դա բացատրելն է ուրիշներին, հատկապես փոքր երեխաներին, ինչպես դա պահանջում է: դուք ձևակերպեք ձեր գաղափարները շատ պարզ և հստակ ձևով:

Քայլ 5: Մասեր և պարագաներ

Սայլակին թույլ կտրվի ազատ տեղաշարժվել մի շարք ռելսերի վրայով ՝ դրան տալով ազատության մեկ աստիճան: Ահա այն մասերը և պարագաները, որոնք անհրաժեշտ են ճոճանակի և սայլի և ռելսերի համակարգի պատրաստման համար.

Էլեկտրոնիկա:

• Մեկ Arduino համատեղելի տախտակ, ցանկացածը կաշխատի: Ես խորհուրդ եմ տալիս Uno- ն, եթե դուք էլեկտրոնիկայի ոլորտում շատ փորձառու չեք, քանի որ դրան հետևելը ավելի պարզ կլինի:
• Մեկ Nema17 տիպի շարժիչ, որը կգործի որպես սայլի շարժիչ:
• Մեկ սլաքի վարորդ, ևս մեկ անգամ ամեն ինչ կաշխատի, բայց ես խորհուրդ եմ տալիս A4988 տիպի շարժիչով վարորդին, որովհետև դրան հետևելը ավելի պարզ կլինի:
• Մեկ MPU-6050 Six Axis (Gyro + Accelerometer), որը կբացահայտի տարբեր պարամետրեր, ինչպիսիք են ճոճանակի անկյունը և անկյունային արագությունը:
• Մեկ 12v 10A էլեկտրասնուցումը, 10A- ն իրականում մի փոքր գերբեռնվածություն է այս հատուկ նախագծի համար, 3A- ից բարձր որևէ բան կաշխատի, բայց լրացուցիչ հոսանք քաշելու հնարավորություն ունենալը թույլ է տալիս ապագա զարգացում, որտեղ կարող է ավելի շատ էներգիա պահանջվել:

Սարքավորումներ:

• 16 x առանցքակալներ, ես օգտագործեցի սքեյթբորդի առանցքակալներ և նրանք հիանալի աշխատեցին
• 2 x GT2 ճախարակ և գոտի
• Մոտ 2,4 մետր 1,5 դյույմանոց PVC խողովակ
• 4 մմ տրամագծով ընկույզներ և պտուտակներ

Այս նախագծում օգտագործված որոշ մասեր նույնպես 3D տպագրված էին, ուստի 3D տպիչ ունենալը շատ օգտակար կլինի, չնայած սովորաբար հասանելի են տեղական կամ առցանց 3D տպագրության սարքավորումներ:

Բոլոր մասերի ընդհանուր արժեքը 50 դոլարից մի փոքր պակաս է (չհաշված 3D տպիչը)

Քայլ 6: 3D տպագիր մասեր

Theամբյուղի և ռելսերի համակարգի որոշ մասեր պետք է պատրաստվեին պատվերով, այնպես որ ես օգտագործեցի Autodesk- ը ՝ Fusion360- ի միջոցով ՝ cad ֆայլերը մոդելավորելու և դրանք 3D տպիչով տպելու համար:

Որոշ մասեր, որոնք զուտ երկկողմանի ձևեր ունեին, ինչպիսիք են ճոճանակը և հենակետային մահճակալը, լազերային կտրված էին, քանի որ այն շատ ավելի արագ էր: Բոլոր STL ֆայլերը կցված են ստորև ՝ սեղմված թղթապանակում: Ահա բոլոր մասերի ամբողջական ցանկը.

• 2 x Gantry Roller
• 4 x Վերջի գլխարկներ
• 1 x Stepper բրա
• 2 x Պարապ ճախարի կրող կրող
• 1 x ճոճանակի կրող
• 2 x Գոտու ամրացում
• 1 x ճոճանակի կրող կրող (ա)
• 1 x ճոճանակի կրող կրող (բ)
• 1 x ճախարակ անցքի տարածիչ
• 4 x Bearing Hole Spacer
• 1 x Gantry ափսե
• 1 x Stepper Holder ափսե
• 1 x Պարապ ճախարի սեփականատիրոջ ափսե
• 1 x ճոճանակ (ա)
• 1 x ճոճանակ (բ)

Ընդհանուր առմամբ կա 24 մաս, որոնց տպագրությունը շատ երկար չի տևում, քանի որ մասերը փոքր են և կարող են տպվել միասին: Այս ուսանելիի ընթացքում ես կանդրադառնամ այն մասերին, որոնք հիմնված են այս ցուցակի անունների վրա:

Քայլ 7: Gantry Rollers- ի հավաքում

Հենակետային գլանները անիվների նման են սայլի համար: Դրանք գլորվելու են PVC ուղու երկայնքով, ինչը թույլ կտա սայլը սահուն շարժվել նվազագույն շփումով: Այս քայլի համար վերցրեք եռաչափ տպված երկու գլանային գլան, 12 առանցքակալ և մի փունջ ընկույզ և պտուտակներ: Մեկ գլանի համար կպահանջվի 6 առանցքակալ: Կցեք առանցքակալները գլանափաթեթին ՝ օգտագործելով ընկույզներն ու պտուտակները (օգտագործեք նկարները որպես հղում): Յուրաքանչյուր գլան պատրաստվելուց հետո դրանք սահեցրեք PVC խողովակի վրա:

Քայլ 8: Drive համակարգի հավաքում (Stepper Motor)

Սայլը պատրաստվում է վարել ստանդարտ Nema17 տիպի շարժիչով: Ամրացրեք շարժիչը սանդղակի փակագծի մեջ ՝ օգտագործելով պտուտակները, որոնք պետք է ստեպերի հետ միասին հավաքածու լինեին: Այնուհետև ամրացրեք պտուտակն ամրացնող սալիկի վրա, հարթեցրեք փակագծի 4 անցքը ափսեի վրա 4 -ի հետ և օգտագործեք ընկույզներ և պտուտակներ `երկուսը միասին ամրացնելու համար: Հաջորդը, GT2 ճախարը տեղադրեք շարժիչի լիսեռի վրա և 2 ծայրերը ամրացրեք ներքևից ներքև գտնվող սանդղակի ամրացման ափսեին ՝ ավելի շատ ընկույզներով և պտուտակներով: Ավարտելուց հետո դուք կարող եք սահեցնել ծայրերը խողովակների վրա: Այն դեպքում, երբ տեղավորումը չափազանց ճիշտ է `վերջավոր ծածկերը խողովակների վրա պարտադրելու փոխարեն, խորհուրդ եմ տալիս հղկել եռաչափ տպված ծայրամասի ներքին մակերեսը, մինչև տեղավորումը չփորձի:

Քայլ 9. Drive համակարգի հավաքում (անգործուն ճախարակ)

Պտուտակներն ու պտուտակները, որոնք ես օգտագործում էի, 4 մմ տրամագծով էին, չնայած ճախարի և առանցքակալների խոռոչները 6 մմ էին, այդ իսկ պատճառով ես ստիպված էի 3D տպիչով ադապտերներ տպել և մղել ճախարակների և առանցքակալների անցքերի մեջ, որպեսզի դրանք չկատարվեն: թրթռալ պտուտակի վրա: Եթե ունեք համապատասխան չափի ընկույզներ և պտուտակներ, ապա ձեզանից այս քայլը չի պահանջվի:

Տեղադրեք առանցքակալները պարապ ճախարի առանցքակալի մեջ: Եվս մեկ անգամ, եթե տեղավորումը չափազանց ամուր է, օգտագործեք հղկաթուղթ `անգույն ճախարակ կրող կրիչի ներքին պատը թեթև հղկելու համար: Անցեք պտուտակն առանցքակալներից մեկի միջով, այնուհետև ճախարակ սահեցրեք պտուտակի վրա և փակեք մյուս ծայրը երկրորդ առանցքակալով և պարապ ճախարակի կրող բռնակով:

Ավարտվելուց հետո ամրացրեք ճախարակի առանցքակալների զույգը պարապ ճախարի ամրակի ափսեի վրա և ամրացրեք ծայրերը այս ափսեի ներքևի երեսին, նախորդ քայլի նման: Ի վերջո, փակեք երկու PVC խողովակների հակառակ ծայրը `օգտագործելով այս ծայրերը: Դրանով ձեր զամբյուղի ռելսերն ավարտված են:

Քայլ 10: Գանտրի հավաքում

Հաջորդ քայլը սայլի կառուցումն է: Կցեք երկու գլանները միասին ՝ օգտագործելով թևի թիթեղը և 4 ընկույզ և պտուտակներ: Անկյունային թիթեղներն ունեն անցքեր, որպեսզի փոքր ճշգրտումների համար կարողանաք հարմարեցնել ափսեի դիրքը:

Հաջորդը, ամրացրեք ամրագոտու ափսեի երկու կողմերի երկու ամրագոտիները: Համոզվեք, որ դրանք կցեք ներքևից, հակառակ դեպքում գոտին չի լինի նույն մակարդակի վրա: Համոզվեք, որ պտուտակները նաև ներքևից են փոխանցում, քանի որ հակառակ դեպքում, եթե պտուտակները չափազանց երկար են, դրանք կարող են խոչընդոտ առաջացնել գոտու համար:

Վերջապես, ճոճանակը ամրացրեք սայլի առջև ՝ օգտագործելով ընկույզներ և պտուտակներ:

Քայլ 11: theոճանակի հավաքում

Theոճանակը պատրաստվել է երկու մասի, պարզապես նյութի վրա խնայելու համար: Դուք կարող եք երկու կտորներն իրար կպցնել ՝ ատամները հավասարեցնելով և դրանք սոսնձելով: Կրկին մղեք կրող անցքի անջատիչները երկու առանցքակալների մեջ ՝ փոխհատուցելու պտուտակի ավելի փոքր տրամագիծը, այնուհետև առանցքակալները մղեք երկու ճոճանակի կրող կրիչի պատառիկի կրող անցքերի մեջ: 3Dոճանակի ներքևի ծայրի յուրաքանչյուր կողմում սեղմեք 3D տպված երկու մասերը և ամրացրեք 3 -ը միասին ՝ օգտագործելով ճոճանակի կրող բռնակներից անցնող 3 ընկույզ և պտուտակներ: Անցեք պտուտակ երկու առանցքակալների միջով և ամրացրեք մյուս ծայրը համապատասխան ընկույզով:

Հաջորդը, բռնեք ձեր MPU6050- ը և ամրացրեք այն ճոճանակի հակառակ ծայրին `օգտագործելով ամրացման պտուտակներ:

Քայլ 12. theոճանակի և գոտիների ամրացում

Վերջին քայլը ճոճանակը սայլի վրա ամրացնելն է: Դա արեք ՝ անցնելով այն պտուտակը, որն ավելի վաղ անցել էիք երկու ճոճանակի առանցքակալների միջով, ճոճանակի ամրակի անցքի միջով, որը ամրացված է սայլի առջևից և մյուս ծայրից ընկույզով ամրացրեք ճոճանակը սայլի վրա:

Վերջապես, բռնեք ձեր GT2 գոտին և նախ ամրացրեք գոտու կցորդներից մեկի մի ծայրը, որը սեղմված է սայլի վրա: Դրա համար ես օգտագործեցի կոկիկ 3D տպելի գոտու ամրակ, որը կպչում է գոտու ծայրին և թույլ չի տալիս այն սահել նեղ անցքի միջով: Այս կտորի տողերը կարելի է գտնել Thingiverse- ում ՝ օգտագործելով այս հղումը: Գոտին ամբողջովին փաթաթեք սլաքի ճախարակի և պարապ ճախարի շուրջը և ամրացրեք գոտու մյուս ծայրը սայլի հակառակ ծայրին ամրացված ամրակի կտորով: Լարեք գոտին ՝ միևնույն ժամանակ համոզվեք, որ շատ չսեղմեք կամ շատ չթողնեք, և դրանով ձեր ճոճանակն ու սայլը ավարտված են:

Քայլ 13: Էլեկտրամոնտաժ և էլեկտրոնիկա

Էլեկտրահաղորդումը բաղկացած է MPU6050- ի Arduino- ին միացնելուց և շարժիչ համակարգի միացումից: Հետևեք վերևում ամրացված էլեկտրագծերի գծապատկերին `յուրաքանչյուր բաղադրիչ միացնելու համար:

MPU6050 դեպի Arduino:

• GND- ից GND
• +5v- ից +5v
• SDA- ից A4
• SCL- ից A5
• Int դեպի D2

Stepper motor to stepper driver:

• Կծիկ 1 (ա) դեպի 1A
• Կծիկ 1 (բ) դեպի 1B
• Coil 2 (a) - ից մինչեւ 2A
• Coil 2 (b) - ից 2B

Stepper վարորդ դեպի Arduino:

• GND- ից GND
• VDD- ից +5v
• ՔԱՅԼ դեպի D3
• DIR- ից D2
• VMOT էլեկտրամատակարարման դրական տերմինալ
• GND էլեկտրամատակարարման ստորգետնյա տերմինալին

Քնի և վերակայման քորոցները, որոնք պետք է տեղադրվեն վարորդի վրա, պետք է միացված լինեն jumper- ով: Եվ վերջապես, լավ գաղափար է էլեկտրամատակարարման դրական և գրունտային տերմինալներին զուգահեռ միացնել մոտ 100 uF էլեկտրոլիտիկ կոնդենսատոր:

Քայլ 14: Համակարգի վերահսկում (համաչափ վերահսկողություն)

Սկզբում ես որոշեցի փորձել հիմնական համամասնական կառավարման համակարգը, այսինքն ՝ սայլի արագությունը որոշակի գործոնով ուղղակի համամասնական է այն ուղղանկյունի հետ ճոճանակի կատարած անկյան հետ: Սա նախատեսված էր պարզապես փորձություն `համոզվելու համար, որ բոլոր մասերը ճիշտ են գործում: Չնայած, այս հիմնական համամասնական համակարգը բավական ամուր էր, որպեսզի ճոճանակն արդեն հավասարակշռեր: Theոճանակը կարող է նույնիսկ բավականին ուժեղ հակազդել մեղմ հրումներին և շարժումներին: Թեև այս կառավարման համակարգը հիանալի աշխատում էր, այն դեռ մի քանի խնդիր ուներ: Եթե որոշակի ժամանակ դիտարկենք IMU ընթերցումների գրաֆիկը, ապա մենք հստակ կարող ենք նկատել սենսորների ընթերցումների տատանումները: Սա ենթադրում է, որ ամեն անգամ, երբ վերահսկիչը փորձում է ուղղում կատարել, այն միշտ գերազանցում է որոշակի չափով, ինչը, ըստ էության, համամասնական կառավարման համակարգի հենց բնույթն է: Այս աննշան սխալը կարող է ուղղվել ՝ կիրառելով տարբեր տեսակի վերահսկիչ, որը հաշվի է առնում այս բոլոր գործոնները:

Համամասնական կառավարման համակարգի ծածկագիրը կցված է ստորև: Կոդը պահանջում է մի քանի լրացուցիչ գրադարանների աջակցություն, որոնք են MPU6050 գրադարանը, PID գրադարանը և AccelStepper գրադարանը: Դրանք կարելի է ներբեռնել ՝ օգտագործելով Arduino IDE- ի գրադարանի ինտեգրված կառավարիչը: Պարզապես գնացեք ուրվագիծ >> Ներառել գրադարան >> Կառավարեք գրադարանները, այնուհետև որոնման տողում որոնեք PID, MPU6050 և AccelStepper և տեղադրեք դրանք ՝ պարզապես սեղմելով Տեղադրման կոճակը:

Չնայած, իմ խորհուրդը բոլոր նրանց համար, ովքեր գիտության և մաթեմատիկայի սիրահարներ են, կլիներ փորձել և ստեղծել այս կարգի վերահսկիչ զրոյից: Սա ոչ միայն կամրապնդի դինամիկայի և վերահսկման տեսությունների մասին ձեր պատկերացումները, այլև հնարավորություն կտա ձեր գիտելիքներն իրական կյանքում կիրառել:

Քայլ 15: Համակարգի վերահսկում (PID վերահսկում)

Ընդհանրապես, իրական կյանքում, երբ կառավարման համակարգը բավականաչափ ամուր է դառնում իր կիրառման համար, ինժեներները սովորաբար պարզապես ավարտում են նախագիծը, այլ ոչ թե բարդացնում իրավիճակները ՝ օգտագործելով ավելի բարդ կառավարման համակարգեր: Բայց մեր դեպքում մենք կառուցում ենք այս շրջված ճոճանակը զուտ կրթական նպատակով: Հետևաբար, մենք կարող ենք փորձել անցնել ավելի բարդ կառավարման համակարգերի, ինչպիսիք են PID- ի վերահսկումը, որոնք կարող են շատ ավելի ամուր լինել, քան հիմնական համամասնական կառավարման համակարգը:

Չնայած PID- ի վերահսկումը շատ ավելի բարդ էր իրականացնել, ճիշտ կիրառվելուց և թյունինգի կատարյալ պարամետրեր գտնելուց, ճոճանակը զգալիորեն ավելի լավ հավասարակշռվեց: Այս պահին այն կարող է նաև հակազդել թեթև ցնցումներին: IMU- ի ընթերցումները տվյալ ժամանակահատվածում (կցված են վերևում) նույնպես ապացուցում են, որ ընթերցումները երբեք շատ հեռու չեն գնում ցանկալի սահմանի, այսինքն `ուղղահայացի համար` ցույց տալով, որ այս կառավարման համակարգը շատ ավելի արդյունավետ և ուժեղ է, քան հիմնական համամասնական վերահսկողությունը:.

Եվս մեկ անգամ, իմ խորհուրդը բոլոր նրանց համար, ովքեր գիտության և մաթեմատիկայի սիրահարներ են, այն է, որ փորձեք և զրոյից կառուցել PID վերահսկիչ ՝ նախքան ներքևում կցված կոդը օգտագործելը: Սա կարող է ընդունվել որպես մարտահրավեր, և երբեք չգիտի, որ ինչ -որ մեկը կարող է ստեղծել կառավարման համակարգ, որն ավելի ամուր է, քան մինչ այժմ փորձվածը:Չնայած Arduino- ի համար արդեն հասանելի է հզոր PID գրադարան, որը մշակվել է Brett Beauregard- ի կողմից, որը կարող է տեղադրվել գրադարանի կառավարչից Arduino IDE- ում:

Նշում. Յուրաքանչյուր կառավարման համակարգ և դրա արդյունքը ցուցադրվում են տեսանյութում, որը կցված է առաջին իսկ քայլին:

Քայլ 16. Հետագա բարելավումներ

Այն, ինչ ես ուզում էի փորձել, «պտտվել» գործառույթն էր, երբ ճոճանակը սկզբում կախված էր սայլի տակ, իսկ սայլը մի քանի արագ և վերև շարժումներ է կատարում գծի երկայնքով ՝ ճոճանակը կախումից կախելու համար: դիրքը գլխիվայր շրջված դիրքի: Բայց դա հնարավոր չէր անել ներկայիս կազմաձևման հետ, քանի որ երկար մալուխը պետք է միացներ իներցիոն չափման միավորը Arduino- ին, հետևաբար ճոճանակի կողմից կատարված ամբողջական շրջանակը կարող էր մալուխի պտտվել և խցանում առաջացնել: Այս հարցը կարելի է լուծել `օգտագործելով ճոճանակի առանցքին ամրացված պտտվող կոդավորիչը` դրա ծայրում իներցիոն չափման միավորի փոխարեն: Կոդավորող սարքով նրա լիսեռը միակ բանն է, որ պտտվում է ճոճանակի հետ, մինչդեռ մարմինը մնում է անշարժ, ինչը նշանակում է, որ մալուխները չեն պտտվի:

Երկրորդ հատկանիշը, որը ես ուզում էի փորձել, սայլակի վրա կրկնակի ճոճանակի հավասարակշռումն էր: Այս համակարգը բաղկացած է երկու ճոճանակներից, որոնք միացված են մեկը մյուսի հետևից: Չնայած նման համակարգերի դինամիկան շատ ավելի բարդ է և պահանջում է շատ ավելի շատ հետազոտություն:

Քայլ 17: Վերջնական արդյունքներ

Նման փորձը կարող է դրականորեն փոխել դասարանի տրամադրությունը: Ընդհանրապես, մարդկանց մեծ մասը նախընտրում է կարողանալ կիրառել հասկացություններ և գաղափարներ դրանք բյուրեղացնելու համար, հակառակ դեպքում գաղափարները մնում են «օդում», ինչը ստիպում է մարդկանց ավելի արագ մոռանալ դրանք: Սա դասի ընթացքում սովորած որոշակի հասկացությունների իրական կիրառության ընդամենը մեկ օրինակ էր, չնայած դա, անշուշտ, ոգևորություն կառաջացնի ուսանողների մոտ `ի վերջո փորձելու և իրենց փորձերով հանդես գալու տեսությունները փորձարկելու համար, ինչը նրանց ապագա դասերը կդարձնի ավելի շատ: աշխույժ, ինչը նրանց մոտ կստիպի ավելին սովորել, ինչը նրանց կստիպի գալ ավելի նոր փորձերի, և այս դրական ցիկլը կշարունակվի այնքան ժամանակ, մինչև ապագա դասասենյակները լի չլինեն նման զվարճալի և հաճելի փորձերով և նախագծերով:

Հուսով եմ, որ սա դեռ շատ փորձերի և նախագծերի սկիզբ կլինի: Եթե ձեզ դուր եկավ այս ուսուցանվողը և այն օգտակար համարեցիք, խնդրում ենք քվեարկեք ներքևում «Classroom Science մրցույթում», և ցանկացած մեկնաբանություն կամ առաջարկություն ողջունելի է: Շնորհակալություն!:)

Երկրորդ տեղը դասարանի գիտության մրցույթում