Практическая часть

У робота есть блок управления, к которому подключаются моторы и датчики. По бокам у робота расположены моторы с колесами, благодаря которым робот двигается. Слева расположен гироскопический датчик, который измеряет положение робота в градусах. Справа расположен датчик касания, благодаря ему робот калибруется и запускает программу с ПИД-регулятором.
Детали использовались из набора LEGOMindstormsEV3. Датчик касания нужен чтобы робот произвёл калибровку по нажатию кнопки, и запустил цикл с ПИД-регулятором. Когда значение гироскопического датчика намного больше (или намного меньше) эталонного значения, робот издает звуковой сигнал, выводит на экран сообщение о ошибке и отключает моторы. Затем робота нужно снова откалибровать. Благодаря гироскопическому датчику робот определяет свое положение в пространстве. Он определяет эталонное значение и высчитывает на сколько градусов робот наклонился.Эталонное значение — это значение гироскопического датчика, при котором робот находится в равновесии. В этом положении роботу не нужно ехать ни вперед, ни назад.  После калибровки значения гироскопического датчика сравниваются с диапазоном балансирования, если значение входит в диапазон, то робот переходит к следующему условию, иначе робот выключает моторы и сообщает об ошибке. Затем робот сравнивает значения датчика гироскопа с эталонным значением, если значение датчика больше эталонного, то робот двигается вперед, а если меньше, то робот переходит к следующему условию. Если значение датчика гироскопа равно эталонному, то робот возвращается к условию, где сравнивается значение гироскопического датчика с диапазоном балансирования, иначе робот движется назад. Ниже приведен алгоритм работы робота-балансира.
Со сборкой робота не возникло серьезных проблем. Хочется отметить, что конструкция должна быть двухколесной, симметричной относительно вертикали. Платформа должна быть крепкой, прочной и надежной для того, чтобы результаты экспериментальных запусков робота были более точными. Тем не менее сборка платформы прошла успешно и можно было приступать к программированию нашего робота.

Экспериментальная часть

Коэффициенты ПИД-регулятора находятся по порядку. Для того чтобы найти первый (пропорциональный) коэффициент нужно обнулить дифференциальный и интегральный коэффициенты и подобрать опытным путем такое значение, при котором робот будет балансировать и не падать. После этого можно приступать к нахождению второго (интегрального) коэффициента. Аналогичным образом третий (дифференциальный) коэффициент.

При уменьшении колес радиус колес уменьшается, следовательно, длина окружности тоже уменьшается, и робот проходит меньшее расстояние поэтому коэффициенты увеличиваются для компенсирования ошибки. При увеличении колес радиус колес увеличивается, следовательно, длина окружности тоже увеличивается, и робот проходит большее расстояние поэтому коэффициенты уменьшаются для компенсирования ошибки.

Влияние Размера Колес.

• Пропорциональный коэффициент (P). Изменение размера колес может влиять на механическое воздействие на робота. Увеличение размера колес может увеличить момент инерции системы, что может потребовать более высокого P для обеспечения стабильной балансировки.
• Интегральный коэффициент (I). Увеличение размера колес может также влиять на скорость накопления интегральной ошибки. Большие колеса могут вызывать медленные изменения положения, поэтому значение I может потребовать коррекции, чтобы бороться с более долгосрочными ошибками.
• Дифференциальный коэффициент (D). Изменения в размере колес могут влиять на динамику робота. Большие колеса могут обеспечивать более плавное движение, и D может потребовать настройки для борьбы с более медленными изменениями в положении.

Следующие испытания проводились с грузом, выполненным из двух больших колес из конструктора LEGO, с покрышками. Они имеют довольно большую массу поэтому поведение робота с установленным в верхнем положении грузом изменится с коэффициентами, найденными в прошлых запусках. Необходимо найти новые коэффициенты ПИД-регулятора для достижения стабильного поведения робота-балансира.

Влияние Центра Тяжести.

1. Пропорциональный коэффициент (P). Изменение центра тяжести робота может существенно влиять на требуемое значение P. Если центр тяжести смещается вперед или назад, это может вызвать более быструю или медленную реакцию, и P должен быть настроен соответственно.
2. Интегральный коэффициент (I). Перемещение центра тяжести может вызвать постоянное смещение робота в одну сторону. Значение I должно быть скорректировано для компенсации таких постоянных ошибок.
3. Дифференциальный коэффициент (D). Если центр тяжести изменяется динамически (например, при подъеме и опускании робота), D может потребовать дополнительной настройки, чтобы обеспечить плавную реакцию.

Настройка ПИД-регулятора для робота-балансира – это сложная задача, которая зависит от множества факторов, включая размер колес и центр тяжести. Экспериментальное исследование и итеративный подход к настройке коэффициентов ПИД-регулятора необходимы для достижения оптимальной стабильности и балансировки в различных условиях и с разными параметрами робота-балансира.