Construire un robot équilibriste avec un MPU6050 et un PID

Ce que vous construisez

Un robot qui tient sur deux roues sans rien d’autre que de l’arithmétique pour le tenir.

Le montage mécanique est vraiment simple — deux moteurs, un cadre, un capteur, une batterie. Ce qui rend ce projet valable est que le problème de commande n’a pas d’échec doux. Un suiveur avec des gains médiocres suit encore la ligne, mal. Un robot équilibriste avec des gains médiocres est couché au sol. Cette netteté en fait la meilleure façon de vraiment comprendre le PID.

À la fin vous aurez un robot qui se lève, résiste à une poussée, et reste à peu près où vous l’avez mis.

Pourquoi c’est dur

Toute la masse du robot est au-dessus de l’axe. Cela en fait un pendule inversé : la verticale est un équilibre comme un crayon en équilibre sur sa pointe — réel en principe, sans espoir sans correction constante. Inclinez-le légèrement et la gravité produit un couple qui l’incline davantage, plus vite.

La seule défense du robot est qu’il peut déplacer sa propre base. Conduire les roues en avant repousse l’axe sous le centre de masse et redresse le corps. D’où la règle contre-intuitive qui gouverne tout le projet : pour cesser de tomber en avant, roulez en avant.

Deux conséquences suivent, et elles façonnent tout ci-dessous :

1. Vous ne pouvez pas commander la position directement. Commander les moteurs depuis l’erreur de position accélère la base hors du dessous de la masse, et le robot tombe dans la direction opposée à celle demandée. La position doit être commandée via l’inclinaison.
2. Il y a une limite dure de récupération, autour de 35°. Au-delà, l’accélération requise dépasse ce que les roues peuvent fournir avant que le corps touche le sol, et aucun gain n’aide.

Nomenclature

Total : environ $45–60.

Trois de ces choix sont structurels, et rater l’un rend le robot inréglable plutôt que simplement moins bon.

Moteurs à réducteur métallique. Un robot équilibriste inverse le sens des centaines de fois par seconde par petits incréments. Le jeu est facturé une fois à chaque inversion, donc la zone morte d’un réducteur plastique atterrit exactement où la correction doit agir. Le résultat est un robot qui oscille autour de la verticale et ne se stabilise jamais, quel que soit le soin du réglage — et cela se lit de façon convaincante comme un problème de réglage.

Un pilote MOSFET. Le L298N brûle environ 2 V avant que le moteur voie quoi que ce soit, ce qui signifie que les petites commandes de correction tombent sous la tension où le moteur bouge. Encore une zone morte précisément là où vivent les corrections fines.

Batterie montée en haut. C’est celui qui surprend. Un robot plus grand avec la masse en haut tombe plus lentement — la période du pendule va avec la racine carrée de la longueur — ce qui donne à la boucle plus de temps pour réagir. Un robot équilibriste bas et trapu est plus dur, pas plus facile.

Ordre de montage

Faites-les dans l’ordre. Chaque étape est vérifiable seule, ce qui compte énormément sur un projet où l’état final est binaire.

1 — Obtenez un angle d’inclinaison fiable. Câblez le MPU6050 et suivez lire l’inclinaison depuis un MPU6050. Ne passez pas à la suite tant que l’angle ne lit pas près de zéro à la verticale, ne bouge pas dans le bon sens quand vous l’inclinez, et ne tient pas immobile quand le robot est immobile. Tout l’aval est bâti sur ce nombre.

2 — Faites survivre l’angle au mouvement. Un accéléromètre seul est inutilisable sur un robot mobile et un gyro seul dérive en secondes. Le filtre complémentaire les fusionne en une ligne. Testez-le en secouant le robot sans le tourner — l’angle devrait à peine bouger.

3 — Réglez la boucle interne en simulateur. Avant que tout matériel puisse tomber, utilisez le simulateur d’équilibre pour construire l’intuition de ce que fait chaque gain. Mettez le gain dérivé à zéro sur un robot qui tient et regardez l’oscillation croître jusqu’à tomber ; cet échec coûte bien moins cher là que sur votre bureau.

4 — Faites-le tenir debout. Écrivez la boucle interne depuis commande d’équilibre PID en cascade, avec la boucle externe désactivée. Le succès ici est un robot qui reste debout et a le droit d’errer. N’essayez pas encore de corriger l’errance.

5 — Ajoutez codeurs et boucle externe. Avec le comptage en quadrature donnant la vraie position des roues, activez la boucle externe pour que le robot tienne une place. Démarrez son gain bien plus bas que raisonnable — son effet est indirect et il est facile de faire se battre les deux boucles.

Notes matérielles vraiment importantes

Montez la batterie en haut. C’est contre-intuitif et c’est le choix mécanique le plus utile du projet. Monter le centre de masse augmente la période du pendule, donc le robot tombe plus lentement et la boucle a plus d’occasions de le rattraper. Un robot court et lourd du bas est bien plus dur à équilibrer qu’un grand.

Utilisez des réducteurs métal. Un robot équilibriste inverse le sens des centaines de fois par seconde. Les moteurs à réducteur plastique ont assez de jeu pour que chaque inversion gaspille les premiers degrés à ne rien faire, ce que la boucle ne peut pas régler. Les moteurs N20 à codeurs sont la réponse habituelle.

Utilisez un TB6612FNG, pas un L298N. Le TB6612FNG chute bien moins de tension sur son étage de sortie. Sur un L298N, les petites commandes de correction tombent sous la tension où le moteur bouge — créant une zone morte exactement là où vivent les corrections fines.

Donnez aux moteurs leur propre alimentation. Un pack batterie qui s’affaisse au courant de calage fera une microcoupure du microcontrôleur en pleine correction. Le robot tombe alors pour des raisons sans rapport avec votre boucle, ce qui est misérable à déboguer.

Vérifiez en avançant

À quoi ressemble un bon résultat

Le ratio de cadences est le nombre que la plupart des premiers montages ratent. La boucle interne tient l’inclinaison ; la boucle externe demande une inclinaison pour voyager. Si la boucle externe tourne à peu près à la cadence interne, elle poursuit une cible que la boucle interne n’a pas encore atteinte, et les deux se battent. Cinq à dix fois de séparation est la règle de travail.

La ligne « dérive » explique à quoi servent les codeurs, et cela mérite d’être clair : un robot avec seule boucle d’inclinaison tiendra magnifiquement et errera à travers la pièce, car rien ne lui dit où il est. Il est debout et perdu. Ajouter la boucle externe de position le transforme de démonstration en robot.

Conventions de signe : la chose qui gaspille une soirée

Quatre signes doivent concorder, et il n’y a aucun moyen de les raisonner — il faut vérifier chacun sur l’établi, avec le robot tenu en main :

Inversez le troisième et le robot accélère sa propre chute, fort, dans la direction où il allait déjà. C’est sans équivoque, et cela vaut d’être testé roues décollées.

Quand ça ne marche pas

Presque chaque échec est l’une des cinq choses, et elles se distinguent assez pour les reconnaître :

• S’écrase aussitôt à la mise sous tension — le signe de boucle interne est inversé.
• Oscillation croissante jusqu’à tomber — gain dérivé trop faible, ou D pris d’un angle différencié au lieu de la vitesse gyro.
• Bourdonne à la verticale — gain proportionnel trop élevé, ou boucle trop lente pour ces gains.
• S’affaisse au sol sans lutter — gain proportionnel trop faible, ou moteurs saturés.
• Tient mais s’en va — trim de montage, avec trop peu d’intégrale pour l’absorber.

Le tableau des modes de panne détaille chacun, et chacun peut être reproduit délibérément dans le simulateur — le moyen le plus rapide d’apprendre à les reconnaître.