Título Completo: Modelagem, Simulação e Implementação de um Sistema Ball & Plate Utilizando Controlador PID com Detecção por Touchscreen Orientado: Luis Antônio Vieira Vital Data: 08/2019 Link:Repositório UFU
Vamos começar diferente neste post. Assista o projeto finalizado em funcionamento e depois entenda tudo o que está por trás deste TCC!
O Projeto
O estudo e o desenvolvimento das técnicas de controle podem ser realizados por meio de simulações, onde se tem um melhor controle do ambiente e das variáveis, ou por meio de um protótipo que emule as condições físicas reais do sistema.
Desta forma, é constante o desenvolvimento de protótipos representando problemas clássicos de controle, sendo extensa a quantidade de dispositivos par estudo e aprimoramento de técnicas de controle. São exemplos de problemas clássicos o sistema massa-mola-amortecedor, o sistema de levitação magnética e o pêndulo invertido.
Dentre esta diversidade, o sistema conhecido como Ball and Plate (Bola e Placa) é um dos mais completos para estudo de controle. Neste sistema, uma esfera tem o seu movimento constantemente monitorado por um sensor e controlado por meio de servo motores que ajustam a inclinação da placa sobre a qual ela está deslizando. Por meio desse sistema de controle dinâmico e de sua modelagem matemática, é possível testar algoritmos de seguimento de trajetória, estabilidade, controle PID e algoritmos de controle não linear.
Um sistema foi proposto anteriormente na UFU, utilizando o Matlab e um sistema de visão computacional, como indicado abaixo.
O sistema teve um funcionamento adequado, mas foram detectadas algumas características indesejáveis durante o estudo do sistema, dentre elas estão:
Alta dependência da iluminação ambiente, sendo altamente sensível ao excesso, falta ou variação da luz local;
Aspecto crítico no enquadramento da área da placa pela câmera;
Vulnerabilidade à presença de partes como mãos e objetos na área sobre a placa.
Instabilidades diante de possíveis vibrações na haste de suporte da câmera e/ou base do sistema.
Acreditamos que uma forma mais fiel para a detecção para esse tipo de sistema seja através de tela sensível ao toque. Desta forma, foi desenvolvido este novo sistema com o propósito de estudar, aperfeiçoar e promover o pleno desenvolvimento de um sistema de controle dinâmico de bola e placa (Ball and Plate) voltado ao ensino, aprendizagem e testes das técnicas de controle aplicadas à sistemas de larga escala do mundo real.
Neste trabalho, a esfera se desloca sobre uma tela sensível ao toque (touchscreen). As informações de deslocamento são entregues a um sistema de controle dinâmico que calcula a melhor resposta necessária para garantir o equilíbrio do objeto sobre a placa. Como ferramentas auxiliares ao processo de desenvolvimento, a modelagem matemática e a simulação em software revelaram-se importantes indicadores de desempenho do protótipo a ser construído.
O sistema foi completamente modelado e simulado no Matlab antes de sua construção. Os detalhes podem ser vistos na monografia do Luis.
O diagrama simplificado das ligações do sistema é indicado abaixo. O sistema necessita controlar dois servos e receber a informação da tela. Além disso, sistemas auxiliares como cartão SD e sensor IMU também foram implementados. A interface com o usuário foi desenvolvido no VIRTUINO e comunica-se via Bluetooth com o sistema.
A construção mecânica em alumínio foi construído totalmente pelo aluno, resultando na estrutura abaixo.
Para o sistema eletrônico, foi utilizado o Arduino DUE como peça central para lidar com o processamento. Também foi adicionado um buzzer.
Foi elaborada o esquemático e construída uma placa auxiliar para eliminar a presença de fios desnecessários no sistema. Todos os componentes eletrônicos extras estão localizados nesta placa.
A união da parte mecânica e eletrônica foi feita da forma mais limpa possível, resultando em um aspecto mais profissional do equipamento.
A última etapa foi a construção da interface com o usuário. Nesta interface é possível escolher trajetórias geométricas para a esfera, tamanho de raio, velocidade da esfera, alternar para modo de deslocamento pontual e escolher as constantes de ganho proporcional e derivativo. Há uma tela secundária que permite regular outras constantes menos utilizadas.
Abaixo estão algumas fotos do sistema finalizado e a sua interface em um tablet.
Os resultados em todas as etapas de desenvolvimento apontam que o objetivo desse estudo foi alcançado com êxito. As discussões teóricas forneceram valioso suporte para o estabelecimento de um modelo matemático de fato representativo do sistema construído.
A plataforma construída apresentou boa performance na atuação do seu controlador PID, além de sua elegância visual juntamente com sua interface gráfica. Funcionalidades adicionais foram agregadas como sugestões de soluções e desenvolvimento para outros projetistas.
Como trabalhos futuros, sugere-se a comparação de diferentes técnicas de controle no sistema, com utilização do PID e realizar a comparação dos resultados. Também é possível utilizar a plataforma para fins além do ensino, como o uso no entretenimento com um ringue de competição ou jogo didático, onde um robô precise remover a esfera da plataforma ou realizar uma certa trajetória.
Em relação as características do sistema, é possível melhorar a interface do Virtuino para exibir mais informações, como a posição em tempo real da bola por exemplo. A auto regulagem da inclinação da mesa também é possível com a adição de um sensor inercial ou um giroscópio na base da plataforma. Também é possível adicionar uma proteção em volta da plataforma, para que nos casos de instabilidade, a esfera não seja lançada diretamente ao chão.
Ao considerar sistemas derivados e semelhantes a plataforma, pode-se considerar o mesmo processo de elaboração para um sistema que faz uma bola de pingue-pongue quicar na plataforma, usando como sensoriamento a eco localização e determinar se é possível usar o touchscreen para esferas leves.
Saiba mais sobre esse sistema lendo a monografia do Luis em: Repositório UFU