Wracamy do huśtawki z nowym podejściem – sterowaniem z wykorzystaniem PID-a. Niestety, konstrukcja mechaniczna uniemożliwiła poprawną pracę układu… trzeba ponownie popracować nad mocowaniem ramienia łączącego serwo z pierścieniem rury.
Warto przeczytać ten artykulik ze wprowadzeniem do PID-a:
(c) K.G. 2022
Mamy Nowy Rok 2022 i pierwsze spotkanie Koła Fi-BOT. Fajnie, że studenci pracują pomimo przerwy świątecznej, bo wyniki są bardzo ciekawe!
Pan Stanisław uparł się na dopracowaniu konstrukcji mechanicznej oraz oprogramowania. Sam nie wiem, co było bardziej marudne… Przypomnę na czym polega zabawa w huśtawkę – należy tak sterować położeniem rury (góra/dół – tym zajmuje się serwosilniczek), aby kulka znajdująca się wewnątrz znalazła się w środku rury. To dość znane zagadnienie, ale Pan Stanisław podszedł do tego niestandardowo – zastosował wzorki z fizyki dla zsuwającej się kulki z równi pochyłej (z uwzględnieniem jej obrotów, czyli mechanik bryły sztywnej). Nie ma tu żadnego PID-a, tylko czystka fizyka! Czy to działa? Działa! o dziwo – jak dla mnie – bo myślałem, że taki sposób spowoduje ciągłe bujanie piłki w lewo i w prawo. A tu proszę! Gratulacje! Ze względu na zbliżającą się sesję egzaminacyjną opis rozwiązania zostanie dodany gdzieś w miesiącu luty (po sesji).
W międzyczasie Pan Bartek kombinuje z produkcją płytek PCB na hobbystycznej frezarce CNC, a Pan Dominik wymyślił bardzo nieszablonowy sposób poruszania huśtawką (warto go zrealizować! choć będzie trzeba popracować mechanicznie).
Fajnie, że właśnie tak rozpoczął się Nowy Rok na Fi-BOTcie!
(c) K.G. 2022
Poniedziałek to nie dzień spotkań koła, ale kto chętny – może! I tak Pan Stanisław postanowił wykorzystać okienko w swoich zajęciach i przystąpił do ulepszania konstrukcji…
Konstrukcja „buja” się już mniej, pomimo zastąpienia trytytek sztywną wykałaczką 😉 Liczy się pomysłowość! Dalej są spore luzy, bo otwory w obejmie są za duże w stosunku do grubości wykałaczki. Wybór wykałaczki nie jest jednak przypadkowy – idealnie rozmiarami pasuje do otworów w metalowych (oryginalnych) profilach Maker Beama (podwieszenie w górnej części konstrukcji).
Na uwagę zasługuje pierwsza próba łączenia serwa z obejmą rury – wykorzystano gruby, małoplastyczny pręcik. Te dwie jego cechy są tutaj jego zaletami – tworzy on bowiem sztywne połączenie. Były problemy przy jego wyginaniu i przetykaniu przez otwory, ale co tam. Jest pierwsze podejście. Czy działa? Filmik poniżej:
Działa to zdecydowanie gorzej niż się spodziewaliśmy 😛 Wszędzie te luzy! No i nogi (płozy?) zdecydowanie za krótkie (i za lekkie, trzeba dociążyć). W międzyczasie pojawił się Pan Bartek i zaproponował wymianę pianki (w mocowaniu serwa) na coś sztywniejszego… korek! Sam się zdziwiłem, że to Pan Bartek zaproponował! Wersja 2 i pół po lekkiej modyfikacji:
Jednak to niewiele pomogło… Pan Bartek skrzywił się tylko, spytał o średnicę rury i chyba postanowił przygotować nowy projekt w 3D aby przyspieszyć pracę nad projektem 😉 Zobaczymy!
(c) K.G. 2021
Studenci dzielnie pracują nad projektem sterowanej huśtawki (samopoziomującej się). Schemat układu z poprzedniego tygodnia:
A tera pierwsze próby jego wykonania „w realu”:
Jednak wszystko się „buja” 😛 Roboczo wykorzystane trytytki powodują duże luzy w obu osiach, a dalej niejasny jest sposób połączenia orczyka serwa z drugim pierścieniem obejmującym rurę. Coś tu trzeba wymyślić (wydrukować?).
(c) K.G. 2021
Już wiemy, do czego zmierzamy w tym semestrze – będziemy stabilizować huśtawkę! Projekt bardzo ciekawy i w zasięgu ręki każdego początkującego hobbysty. O co chodzi? Na huśtawce poruszać się będzie kulka (różowa na rysunku poniżej), która zmieniając swoje położenie przechyli huśtawkę w inne położenie. Ale jest też silniczek (zielony), którym będzie sterować Arduino UNO (pomarańczowe) tak, by kulka nie wypadła z huśtawki i pozostawała w środku (położeniu równowagi).
Aby to wszystko zrealizować potrzebujemy:
Huśtawka z pleksi rury.
Pan Stanisław tak się zaangażował w projekt, że zakupił już element konstrukcyjny huśtawki – rurę (ładna! długa: 50cm, ale gruba, bo ścianki 3mm, no i droga…). Pomysł fajny, ale czy czujnik odległości na końcu takiej rury będzie dobrze wskazywać pomiary odległości? W końcu emituje on dźwięki, które będą „buszować” w zamkniętej rurze i kolejne pomiary mogą być bezsensowne. Dlatego trzeba było to sprawdzić.
Na nasze szczęście okazało się, że (o dziwo!) czujnik działa poprawnie! Sprawdziliśmy to z wykorzystaniem metrówek.
Silniczek – a dokładniej mikro serwo.
Proponuję wykorzystać mikro serwo do poruszania ramieniem huśtawki. Jest to silnik sterowany sygnałem PWM, który możemy ustawić w określonej pozycji: od 0 (zera) do 180 stopni. Do obracającego się orczyka przyczepimy element łączący go z ramieniem huśtawki.
W tym konkretnym przypadku możemy podłączyć zasilanie serwa bezpośrednio do płytki Arduino UNO, bo pojedyncze serwo pożera jedynie ~200mA prądu (nie możemy przekraczać 500mA, bo uszkodzimy Arduino lub podłączonego z nim kompa – a tego nie chcemy).
Programowanie polega na użyciu biblioteki Servo.h i znajdującego się w niej obiektu Servo. Tworzymy zmienną (u nas silnik) i przypisujemy jej sterowanie do pinu 9 – metoda attach(). Następnie ustawiamy ramię silnika na określoną pozycję – tutaj 5, 90 i 175 stopni – za pomocą metody write(). Celowo pomijam skrajne wartości 0 i 180 stopni, bo to nadwyręża serwa.
#include <Servo.h>
Servo silnik;
void setup() {
silnik.attach(9);
}
void loop() {
silnik.write(5);
delay(2000);
silnik.write(90);
delay(2000);
silnik.write(175);
delay(2000);
}Zwracam także uwagę, że po ustawieniu serwa na konkretną wartość należy dać mu czas na realizację tego polecenia – serwa działają powoli! Nasze MG90S obraca się o 60 stopni w 0,1 sekundy – dlatego 2s opóźnienie przed kolejnym ustawieniem to rozsądna wartość.
Budowa konstrukcji.
I tu zaczynają się schody… Trzeba się trochę pobrudzić 😉 Może sklejka lub podobny, miękki materiał – łatwy do obróbki bez zaawansowanego osprzętu? A może wspomniane profile Maker Beam?
Jeszcze zobaczymy co zrobimy, ale najpierw trzeba przemyśleć połączenie silniczka z ramieniem huśtawki. Są różne koncepcje. Poniżej wynik prac przy tablicy….
Trzymak do rury.
Aby złapać rurę (huśtawkę) i przytwierdzić ją do stabilnej konstrukcji – trzeba mieć odpowiedni uchwyt. Pewnie można poszukać w jakimś popularnym sklepie z materiałami budowlanymi, ale postanowiłem lekko pomóc i zaprojektowałem na szybko taki uchwyt – poniżej zdjęcie jego połówki, bo właśnie dwie takie części tworzą całość. Uchwyt ma sporo nadmiarowych „uniwersalnych” otworów – tak na przyszłość, aby nie tylko pełnił funkcję trzymania rury i obracania jej, ale i mechanizmu połączenia z silniczkiem… Powinno się przydać.
Jak widać sporo się działo… a to dopiero początek tego projektu 😉
(c) K.G. 2021
Poznajemy ultradźwiękowy czujnik odległości – układ HC-SR04. Emituje on fale dźwiękowe o częstotliwości 40 kHz (czyli spoza zakresu słyszalności człowieka) i czeka na jej powrót. Mierząc czas nadejścia tej informacji (powrotnej) znamy odległość do obiektu, od którego odbiła się fala dźwiękowa (a właściwie 2x odległość, bo fala pokonała drogę w jedną stronę i z powrotem).
Działanie układu odbywa się zgodnie z następującym protokołem (schematem):
Pierwszy programik wykorzystuje funkcję pulseIn() w celu określenia długości trwania sygnału HIGH na pinie ECHO.
#define TRIG 8
#define ECHO 7
unsigned int t2;
void setup() {
pinMode(TRIG, OUTPUT);
pinMode(ECHO, INPUT);
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
digitalWrite(TRIG, 0);
delayMicroseconds(5);
digitalWrite(TRIG, 1);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(TRIG, 0);
//z wykorzystaniem funkcji pulseIn
t2=pulseIn(ECHO, HIGH);
Serial.print(t2);
Serial.print(", ");
Serial.print(t2/58.0);
Serial.println(" [cm]");
delay(100);
}Nie jestem wielkim zwolennikiem funkcji pulseIn() – choć działa bardzo dobrze. Do odczytu stanu pinów służy funkcja digitalRead(), którą trzeba tylko odpowiednio „zapętlić” — poniższy kod właśnie to realizuje. Wykorzystujemy też funkcję mierzenia czasu działania Arduino w mikrosekundach (czyli w 1/1000 milisekund!) czyli funkcji micros(). Oto i kod:
#define TRIG 8
#define ECHO 7
unsigned int t1,t2;
byte aaa;
void setup() {
pinMode(TRIG, OUTPUT);
pinMode(ECHO, INPUT);
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
digitalWrite(TRIG, 0);
delayMicroseconds(5);
digitalWrite(TRIG, 1);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(TRIG, 0);
//czekanie na przelaczenie pinu ECHO w stan HIGH... wszak nic nie dzieje sie natychmiast!
while (digitalRead(ECHO) == LOW);
t1=micros();
while ((aaa=digitalRead(ECHO)) == HIGH);// Serial.println(aaa);
t2=micros()-t1;
Serial.print(t2);
Serial.print(", ");
Serial.print(t2/58.0);
Serial.println(" [cm]");
delay(100);
}Dwie rzeczy wymagają wyjaśnienia: 1) Pętle while kończą się średnikiem – czyli pętla nie wykonuje nic! od razu wraca do sprawdzenia warunku kontynuowania pętli – tak szybko, jak się da; nie ma strat czasu na wypisywanie rzeczy, na jakieś obliczenia…. 2) czekamy na ustawienie pinu ECHO w stan HIGH tak długo, jak czujnik SR_HC04 to zrobi (bo choć protokół o tym właśnie mówi, to nic nie dzieje się natychmiast – nawet światło ma skończoną prędkość); dlatego pojawiła się pętla trwająca tak długo, aż stan pinu ECHO jest LOW. Po tej pętli mamy pewność, że ECHO jest już HIGH i uruchamiamy „stoper” (zapisujemy aktualną wartość mikrosekund) do zmiennej t1. Teraz ponownie zapętlamy program aż stan pinu ECHO zmieni się na LOW – to sygnalizuje powrót sygnału do układu. Ta pętla posługuje się pomocniczą zmienną aaa (ale beznadziejna nazwa) zapisującą stan pinu ECHO – niby niepotrzebnie, ale można odkomentować następną linię i będziemy widzieć jej wartość. To kolejna mała rzecz wymagająca komentarza. Po tej pętli ponownie zapisujemy „stoper” – czyli aktualną wartość mikrosekund, tworząc zmienną t2 równą różnicy zatrzymanego czasu i wartości t1… Zmienna t2 ma teraz dokładnie takie samo znaczenie jak w pierwszym przykładzie (programie) i dalsza część pozostaje niezmieniona.
Które rozwiązanie lepsze? W przypadku jednego czujnika pewnie pierwsze jest fajniejsze, ale gdy mamy więcej czujek działających jednocześnie? Wówczas rozwiązanie z pulseIn() nie zagra, bo zatrzyma wykonanie programu i nie pozwoli na wykrycie sygnału wracającego do innego czujnika – czyli popsuje wyniki dla drugiego, trzeciego czujnika. Drugie rozwiązanie można łatwo rozbudować do współpracy z wieloma czujnikami (np. wprowadzając zmienne t2, t3, t4… ) mierzące czas powrotu sygnału z kolejnych czujek. Ale nie upieram się nad wyższością jednego nad drugim. Mi bardziej pasuje funkcja digitalRead() i dlatego wolę drugi programik. Warto na koniec wspomnieć, że jest dedykowana biblioteka do obsługi układu SR-HC04 (gdzie? poszukaj!) i wiem, że świetnie nadaje się do obsługi wielu czujników.
(c) K.G. 2021
Nie jeden, a kilka LEDów i zabawa w wężyki…
(c) K.G. 2021
Ustaliliśmy, że spotykamy się w piątki o 12:15 (ale mamy czas tylko do 13:30). Zaczynamy od zera – czyli wyjaśnień, jak działa LED i do czego jest potrzebny rezystor w obwodzie. Znaczy nie wyjaśniłem jak działa LED ale omówiłem jego funkcję w obwodzie elektrycznym. No dobrze, Panowie wiedzieli to i owo, ale te informacje należało podać i wyjaśnić wątpliwości (a były takie! z istotniejszych: czy kolejność opornika i LEDa ma znaczenie? NIE!). Jeszcze bez podłączenia Arduino sprawdziliśmy działanie układu zasilanego akumulatorem żelowym 6V, mierzyliśmy prąd, napięcia… nuda? Może. Ale niezbędna. Sprawdzialiśmy, jak świeci LED z oporikiem 10 000 omów, 470 omów a nawet jak z 22 omami (info na końcu wpisu). Dopiero potem podłączyliśmy płytkę Arduino UNO – dowiedzieliśmy się, co to są piny GND, 3.3V oraz 5V. Sprawdziliśmy multimetrem napięcie (a jakże!). A potem podłączyliśmy LED-a do 5V. Działa!
OK, ale Arduino się programuje… Więc uruchomiliśmy darmowe Arduino IDE i napisaliśmy pierwszy programik – świecący co 5s LEDem podłączonym do pinu cyffrowego numer 7 – dlaczego akurat 7? a dlaczego nie 😉 Mamy do wyboru 14 sztuk pinów cyfrowych (numerowane od 0 do 13), to któryś trzeba było wybrać.
Program wymagał wyjaśnienia, gdzie jest funkcja main() z języka C/C++, co robią funkcje setup() oraz loop() a także co to są pinMode(), digitalWrite() oraz delay(). Mam nadzieję, że było w miarę jasno (choć oczywiście – pytania w głowie buszują, z czasem znajdą się na nie odpowiedzi….).
Następnie bawiliśmy się w zmianę czasu trwania świecenia/nieświecenia LED-a. Ustawiliśmy w funkcjach delay() czas 1000 s (czyli 1 s), potem 100 ms a nawet 10 ms (czyli 100x na sekundę!). Oczywiście w tym ostatnim przypadku nie udało się zaobserwować błysków, a jedynie ciągłe świecenie. Przy tej okazji ponowne wróciliśmy do multimetru i sprawdziliśmy, jaki pomiar wskaże urządzenia. Dowiedzieliśmy się co-nieco o uśrednianiu pomiarów przez multimetr.
Ale ta zabawa w zmianę czasu doprowadziła nas do sprawdzenia zdolności percepcji człowieka – sprawdziliśmy, czy oko rejestruje zmiany częściej niż 24x na sekundę (chyba mamy tu jakiegoś amatora filmów!). Udało się. Nie wiesz o co chodzi? To zapraszam na koło w kolejny piątek 😉
A może dwa LEDy? Spróbowaliśmy świecić na przemian!
Potem każdy ze studentów dostał w prezencie Arduino UNO…. wirtualnie 😉 zachęcam do ponowienia zabawy w TInkerkadzie.
I jeszcze jedno: chciałem spalić LED-a. Podałem opornik 22 omów do zasilania 6.3V i…. spodziewałem się szybkiego BUM! A tu przez ponad godzinę LED nie poddawał się, przyjmował okolo 138 mA prądu i świecił (no dobrze, zmienił barwę na pomarańczową – z żółtej – ale wytrzymał). Temperatura na rezystorze to nawet ponad 100C więc taki układ to zdecydowanie błąd w sztuce – ale o dziwo działał u nas przez godzinę (a może i dłużej, ale go rozłączyłem). Nie róbmy tak zbyt często – pamiętajmy, że LEDy „lubią” prąd do ~20mA, choć i tak polecam <10mA bo już wtedy świecą bardzo wyraźnie.
Zachęcam do zastanowienia się nad powyższym układem: czy wskazania amperomierza się zgadzają z przewidywaniami teoretycznymi? Opornik w obwodzie to 22 ohm, zasilanie 6.3V. Śmiało przelicz sam! Coś się jakby nie zgadza? Może warto kliknąć w obrazek poniżej o poczytać trochę?
(c) K.G. 2021
Zgodnie z rozmowami podczas Forum Kół Naukowych UwB w dn. 25 października 2021r. przypominamy o wspólnej inicjatywie z Białostockim Parkiem Naukowo Technologicznym.
BPNT prowadzi Epi-Centrum Nauki w Białymstoku. To największa tego typu placówka w tej części Polski, służy edukacji i poznawaniu poprzez zabawę praw fizyki i matematyki, zjawisk przyrodniczych, zmian klimatycznych, nowoczesnych technologii.
https://epi-centrum.bialystok.pl/pl
W ramach współpracy z BPNT organizowane będą darmowe warsztaty z metody twórczego projektowania i rozwiązywania problemów Design Thinking (podejście do tworzenia nowych produktów i usług w oparciu o głębokie zrozumienie problemów i potrzeb użytkowników). Warsztaty poprzedzone będą zwiedzaniem i oglądaniem Epi-Centrum Nauki na Stadionie Miejskim. Cel warsztatów to poznanie metody oraz zaprojektowanie przy zastosowaniu zasad Design Thinking kolejnych eksponatów do Epi-Centrum Nauki (pod szyldem UwB).
Zbieramy teraz zgłoszenia z poszczególnych kół naukowych. Prosimy do podanie nazwy koła i liczby osób chętnych do udziału w projekcie. Termin zgłoszeń mija z końcem tygodnia (do 31.10.2021). Na początku listopada chcemy przekazać informację do BPNT o zainteresowaniu naszym oraz ustalić termin zwiedzania Epi-Centrum.
W powyższych kwestiach – proszę kontaktować się z opiekunem koła.
(c) K.G. 2021
W poniedziałek (25.10.2021) – o godzinie 18:00 odbędzie się I Forum Kół Naukowych w roku akademickim 2021/2022. Forum odbędzie się za pośrednictwem platformy Blackboard. Link do spotkania: https://eu.bbcollab.com/collab/ui/session/guest/7412060f4b14424694e4a025219494f9?fbclid=IwAR2nJYaJ7aHLDGiJDAjK-Fb5WVtmTP_cY6oPHaCjfiRL-A2I7fNumuhKLu4
Program spotkania:
1. Przywitanie uczestników Forum Kół Naukowych UwB – Prorektor ds. studenckich dr hab. Jolanta Muszyńska, prof. UwB
2. Prezentacja strony Internetowej Forum Kół Naukowych – Tomasz Krynicki.
3. Koła naukowe UwB w Epi-Centrum Nauki – prezentacja wspólnego projektu – Dyrektor Białostockiego Parku Naukowo-Technologicznego Anna Daszuta – Zalewska.
4. Prezentacja wybranych Kół Naukowych i Organizacji Studenckich.
5. Dyskusja.
Z poważaniem
Aneta Walendziuk
Sekretariat Prorektor ds. studenckich, Uniwersytetu w Białymstoku
Ewa Putra
Przewodnicząca Komisji ds. Współpracy z Kołami Naukowymi i Organizacjami Studenckimi
Parlament Studencki UwB
(c) K.G. 2021