Ελικοφόρο εκκρεμές ως εκπαιδευτικό εργαλείο για PID ελεγκτές

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα αναλυθεί το εκπαιδευτικό εργαλείο που κατασκευάστηκε. Πρόκειται για ένα πλήρες εκπαιδευτικό πακέτο, του οποίου στόχος είναι η εκμάθηση και εξοικείωση με τους PID ελεγκτές από άτομα που ενδιαφέρονται για το θέμα. Αποτελείται από ένα ηλεκτρομηχανικό σύστημα που συνοδεύεται από εφαρμογές για τον έλεγχό του. Σκοπός του, να βοηθήσει στην κατανόηση των PID ελεγκτών μέσα από πρακτικό παράδειγμα και επαφή με το ίδιο το σύστημα. Ο τρόπος διανομής του είναι σε ψηφιακή μορφή μέσω online αποθετηρίου το οποίο περιέχει όλα τα απαραίτητα αρχεία και εφαρμογές, για την κατασκευή του ή την τροποποίησή του από τον χρήστη, όπως και αναλυτικές οδηγίες και βίντεο λειτουργίας. Το σύστημα διαθέτει έναν βραχίονα συνδεδεμένο σε μία σταθερή βάση μέσω άρθρωσης στο ένα άκρο του και ένα ηλεκτρικό κινητήρα και έλικα στο άλλο, κάνοντας έτσι μια απλή κίνηση, όπως ένα εκκρεμές, το οποίο με τη βοήθεια του έλικα μπορεί να σταθεροποιηθεί σε διαφορετικές γωνίες. Όλο το σύστημα συγκρατείται πάνω σε οποιοδήποτε πάχους γραφείο με ρυθμιζόμενη βάση και είναι εύκολο στην μεταφορά. Το μεγαλύτερο μέρος των μηχανικών εξαρτημάτων είναι εκτυπωμένα με τρισδιάστατο εκτυπωτή (3D printer). Περιέχει μικροελεγκτή βασισμένο στο ESP32 της Espressif, αισθητήρα για τον προσδιορισμό της γωνίας του βραχίονα και ελεγκτή ταχύτητας για τον ηλεκτρικό κινητήρα. Όλα τα ηλεκτρονικά είναι συνδεδεμένα σε τυπωμένη πλακέτα (PCB) που σχεδιάστηκε ειδικά για αυτόν τον σκοπό. Συνοδεύεται από δύο εφαρμογές, μία για κινητές συσκευές (mobile) που τρέχουν λειτουργικό Android και μία για ηλεκτρονικό υπολογιστή (PC). Και οι δύο παρέχουν τα απαραίτητα για τον χειρισμό του συστήματος: τροποποιώντας τις τιμές Kp, Ki και Kd του ελεγκτή, όπως και χειροκίνητο τρόπο λειτουργίας για αντιμετώπιση προβλημάτων (debugging). Ο τρόπος σύνδεσης της mobile εφαρμογής γίνεται ασύρματα με χρήση Bluetooth ενώ με την εφαρμογή υπολογιστή μέσω USB καλωδίου και σειριακής επικοινωνίας. Η εφαρμογή για PC διαθέτει και ψηφιακό τρισδιάστατο (3D) μοντέλο του συστήματος για ευκολότερη κατανόηση της λειτουργίας του. Η επικοινωνία του μικροελεγκτή με τις εφαρμογές γίνεται με κωδικοποίηση της πληροφορίας χρησιμοποιώντας πρωτότυπο πρωτόκολλο. Στο online πακέτο περιλαμβάνονται όλα τα απαραίτητα αρχεία για την κατασκευή του συστήματος, όπως τα αρχεία για την 3D εκτύπωση, τα αρχεία για την εκτύπωση του PCB όπως και λίστα εξαρτημάτων με αναλυτικές λεπτομέρειες. Ακόμη, δίνονται τα εκτελέσιμα αρχεία των εφαρμογών όπως και ο πηγαίος κώδικάς τους και το λογισμικό του ESP32. Το πακέτο αυτό είναι άπειρα επεκτάσιμο χάρη στον ανοικτό κώδικα (open source) ώστε κάθε χρήστης να μπορεί να το προσαρμόσει στις δικιές του προτιμήσεις. Η αλλαγή εξαρτημάτων, αισθητήρων όπως και συναρτήσεων, κώδικα και ελεγκτών είναι εφικτή, αν ο εκάστοτε χρήστης διαθέτει τις απαραίτητες γνώσεις, οι οποίες δεν απαιτούνται για το βασικό πακέτο.