Döner Ters Sarkaç(Rotary Inverted Pendulum) Kontrolü

Başlıktan da anlaşıldığı üzere bitirme projesi olarak yaptığım projenin konusu 'Bir Döner Ters Sarkacın(Rotary Inverted Pendulum) Tasarımı, Yapımı ve Kontrolü' dür.

Projenin tasarımını, yapımını ve çubuğu kaldırma kısmını başarılı bir biçimde gerçekleştirdim, ancak çubuğu dengeleme kısmını yapamadım. Bunun da tabi kendimce saptadığım birtakım sebepleri var: Bilindiği üzere dengeleme hassas bir iştir, bunu başarmak için de mekanik ve elektronik sistemin mükemmele yakın bir seviyede olması gerekmektedir. Ancak bu projede mekanik sistem, gerek maddi desteğin olmaması, gerek benim Elektrik-Elektronik Mühendisi olmam hasebiyle mekanik tasarımdan fazla anlamamam, gerekse rica minnet yapılan işlere itina gösterilmemesi gibi sebeplerle çok iyi düzeyde yapılamamıştır. Ayrıca projenin tam anlamıyla başarıya ulaşamamasının bir diğer sebebi, gerçek sisteme dair parametrelerin bir kısmının doğru saptanamamasıdır. Sarkacın çalışma şekli ise şu şekildedir:

Sarkaçta çubuğu dengeye getirmek için öncelikle alt denge noktasında bulunan çubuğa bağlı bir kol sürekli sağa sola hareket ettirilerek çubuğun salınım yapması ve kararsız üst denge noktasının ±10 derece yakınına gelmesi sağlanır ve bu sırada denge kontrolörü devreye girer ve çubuk üst konumda dengeye getirilmeye çalışılır. Sarkaçta kullanılan parçalar şu şekilde:

• USB-1408FS isimli veri toplama(data acquisition) kardı, ana kontrol ünitesi olarak kullanıldı. Bu kartın üzerinde analog/dijital giriş/çıkışlar bulunmakta ve MATLAB ile beraber kullanılabilmekte, bu da bu kartın getirdiği bir kolaylık olmakta.
• USB-1408FS'nin üzerinde PWM kanalı olmamasından ötürü PWM sinyal üretmek için PIC16F877A kullanıldı. PWM sinyal DC motorda hız kontrolünde kullanıldı.
• Çubuğun ve çubuğa bağlı kolun pozisyonlarını saptayabilmek için de Bourns firmasına ait tam tur dönebilen lineer potansiyometreler kullanıldı. Bu potansiyometrelere 7805 ile regüle edilen 5 V referans gerilimi verildi.
  
• DC motoru sürmek için L298 entegresi kullanıldı. Bu entegrenin çıkışları paralel bağlanarak motorun çekebileceği akım miktarı artırıldı.
• Kolu döndürmek için de dişli kutlu bir DC motor kullanıldı. Bu motorun tork sabiti, dişli oranı ve iç direnç parametreleri tam olarak bilinmemekte. Bu da sarkaca ait bazı parametrelerin saptanamamasında etken rol almakta.
• Kol ve çubuk polyamid denilen sert plastik bir malzemeden yapıldı, ancak bu malzeme biraz esnek, bu da sarkaç için hiç de iyi bir özellik değil. Bu proje de kullanılma sebebi hafif olması(esnek olduğunu bilmiyordum). Kesinlikle bu malzemeyi sarkaç için tavsiye etmem.
• Sarkacın monte edildiği tabla demirden, ancak özensiz yapılmış olması sebebiyle ayakları düz kesilmemiş. Bu da sarkacın dengelenememesinin ayrı bir sebebi.

Sarkacı kabaca anlattıktan sonra böyle bir proje yapacaklara uzun uğraşlar sonucu edindiğim tecrübeyle birkaç tavsiyem olacak:

• Öncelikle mekanikten başlayacak olursak, daha önce de söylediğim gibi mekanik mükemmele yakın bir düzeyde olmalı. Kesinlikle sarkacın yapımında polyamid gibi polimer malzemeleri kullanmayın, bunlar sünek malzemeler, çubuğun dengede tutulabilmesi için olabildiğince düz, esnemeyen malzemeler kullanılmalı. Alüminyumun bu iş için uygun olacağını düşünmekteyim, hem demire göre hafif hem de rijit bir malzeme. Tabi alüminyumun da birçok çeşidi var onun da bir makine mühendisine veya bu işlerden anlayan birisine danışılarak saptanması iyi olacaktır. Sarkacın oturtulacağı  tablanın demir olması daha iyi, çünkü kol sağa sola hareket ettirilirken düzeneğin sarsılmaması lazım, tabi yere de sağlam basması lazım. Düzeneği bir masaya monte edilebilecek şekilde kurarsanız çok daha iyi olacaktır, ama bazı durumlarda masaya monte etmek mümkün olmayabilir. Mekanikte bir diğer önemli nokta ise çubuğun olabildiğince serbestçe dönebilmesi, sistemdeki dönen parçalar arasındaki sürtünmenin olabildiğince az olması gerekmektedir. Son olarak önemli noktalardan birisi ise DC motor seçimi. Motorun hareket ettirdiği kol ve çubuk göreceli olarak ağır olduğundan sistemde dişli kullanılması kaçınılmaz bir durum. Kolay olması bakımından dişli kutulu bir motorun kullanımı, dişli sisteminin ayrıca kullanılmasından daha iyidir. Kullanılacak motorun dişlilerinin olabildiğince rahat hareket etmesi ve tork sabiti, dişli oranı ve iç direnç gibi parametrelerinin üretici tarafından sağlanıyor olması çok önemli. Bunun için katalog bilgileri olan iyi marka motorların tercih edilmesi önemli bir nokta.
  
• Ben pozisyon saptanmasında potansiyometre kullanmıştım, ancak potansiyometrelerin birkaç dezavantajı var. Birincisi, ölçümün yanlış yapıldığı 20 derecelik bir bölge var, bu bölgenin çubuğun kullanılmayacak bir bölgesine getirilmesi lazım. Ben bu bölgeyi sağ üst bölgeye, yatay ve dikey eksenle 45 derecelik açı yapacak şekilde ayarlamıştım. Bir de potansiyometrenin referans gerilimini 7805 le sağlamıştım ve potansiyometreden aldığım gerilim oldukça gürültülüydü, MATLAB'da bu gerilimi filtrelesem de bir düzeye kadar gürültü engellenebiliyor. Bu sebeplerden ötürü ben potansiyometre yerine, yüksek çözünürlüklü encoder kullanılmasını tavsiye ediyorum. Benim bu projede potansiyometre kullanmamın sebebi ise daha ucuz olması ve Türkiye'de bulunabilmesi. Bu iş için kullanılabilecek bir encoder ın bağlantısını aşağıda bulabilirsiniz. Eğer potansiyometre kullanacaksanız da 7805 ten daha iyi bir gerilim regülatörü kullanın.
• Ana kontrol ünitesi olarak da DAQ modülü(USB-1408FS) kullanmıştım. MATLAB'le kullanılabiliyor olması çok büyük bir avantaj sağlıyor. Ancak MATLAB'ın kurulu olduğu bilgisayarın yüksek performanslı olması lazım, bu örneklem hızını dolayısıyla da sarkacın performansını önemli derecede etkiliyor. Örneğin benim kullandığım masaüstü bilgisayarda örneklem süresi 0.02 sn iken, sunumda kullanmak zorunda kaldığım dizüstü bilgisayarda 0.054 sn'ye kadar çıkıyordu. Bir de USB-1408FS'de PWM sinyali üreten kanal yok, bunun için PIC kullanmak zorunda kaldım, bu da performansı etkiliyor olabilir.
• Son olarak bu projenin gerçekten zor, çok zaman alan ve bir hayli para götüren bir proje olduğunu belirtmek isterim. Bu yüzden böyle bir projeyi yapmadan önce çok iyi düşünün. 
  

Birkaç tavsiye demiştim ama bir hayli uzun olmuş :)

Projenin raporuna, devre ve kodlarına en üstteki bağlantıdan ulaşabilirsiniz.

Projeyle ilgili sorularınızı Foruma, Ters Sarkaç kategorisi altına yazabilirsiniz. 

USDigital firmasına ait yüksek çözünürlüklü bir encoder:

http://www.usdigital.com/products/encoders/incremental/rotary/kit/e3/

Çözünürlük devir başına 2500'e kadar çıkabiliyor. Bir de şunu söyleyeyim ben bu encoder'ı kullanmadım, sadece araştırmalarım sonucu ulaştım ve bu proje için uygun olduğunu düşünüyorum. 

Sarkacın nasıl dengelenemediğini de aşağıdaki bağlantıdan izleyebilirsiniz :)

Sarkaç(Video): http://www.t-robot.info/component/option,com_seyret/Itemid,99/id,56/task,videodirectlink/

Ortalama Üye Değerlendirmesi

   (0 Oylama)

Yorum Sayısı: 4 / 4