منصة توازن كرة بصرية: مشاريع تخرج Arduino في التحكم الآلي

تدحرج كرة خفيفة نحو الحافة، فيميل السطح عكس اتجاهها ويحاول إعادتها إلى دائرة في الوسط. المنصة المصغرة تجعل التحكم الآلي مرئياً: تقاس حركة الكرة، ويحسب المتحكم مقدار الميل، ثم تحرك المحركات السطح. تصلح الفكرة لمن يبحث عن مشاريع تخرج Arduino في التحكم، لأن الفريق يستطيع مقارنة التجربة بالنموذج الحسابي ورؤية ما يحدث عند تأخير القياس أو زيادة كسب المتحكم.

ابدأ بمحور واحد ثم وسّع إلى محورين

النسخة الأولى سطح صغير محصور بحافة منخفضة، وذراع ميل بمحرك سيرفو واحد، وكاميرا ثابتة أعلى الطاولة تتبع كرة ذات لون واضح. لا تبدأ بكاميرا مدمجة وحركة بمحورين وخوارزمية متقدمة دفعة واحدة؛ افصل مشكلات استخراج الموضع عن مشكلات التحكم. بعد استقرار محور واحد، يمكن إضافة محور ثانٍ وتحليل التفاعل بينهما.

ضع وسادة لينة أسفل المنصة كي لا تسقط الكرة على الأرض، وأوقف المحرك بحدود ميكانيكية وبرمجية. لا تسمح للمتحكم بإرسال زاوية تتجاوز مجال الذراع أو جعل السطح حاد الميل. حدد موضع الكرة المستهدف كنقطة داخلية لا على حافة اللوح، واختبر الحركة أولاً بكتلة خفيفة مماثلة قبل تشغيل الكرة.

لا تخلط ميل اللوح بموضع الكرة

المتحكم يحتاج قيمة موضع الكرة على السطح، ويمكن للنسخة المختبرية استخدام كاميرا ثابتة وعلامات مرجعية في الزوايا. هذه الطريقة لا تتطلب وضع حساس على الكرة لكنها تتأثر بالانعكاس والظل. البديل شبكة حساسات لمس أو مقاومة، لكنها تغير احتكاك السطح وقد لا تعطي موضعاً مستمراً. اذكر سبب اختيارك وطريقة المعايرة بدلاً من وصف المستشعر بأنه «دقيق» بلا تحقق.

إذا استخدمت MPU-6050 لتسجيل ميل هيكل المنصة، فراجع صفحة وثائق TDK InvenSense ومواصفات اللوحة المتاحة. هذا الحساس يقيس الحركة والتسارع، ولا يقيس موضع الكرة بحد ذاته. عاير اتجاه المحاور وأثر الجاذبية، وتحقق من جهد وحدود لوحة التوصيل قبل ربطها بالمتحكم.

ارسم حلقة التحكم بوضوح

في كل دورة يقرأ النظام موضع الكرة (x,y)، ويحسب الخطأ بين الموضع الحالي والمركز المستهدف، ثم يخرج أمراً محدوداً لمحرك الميل. تبدأ النسخة الأولى بالتحكم على محور واحد وبحد سرعة منخفض. يتضمن PID حداً تناسبياً يستجيب للخطأ الحالي، وتكاملياً يتراكم عبر الزمن، وتفاضلياً يتفاعل مع معدل التغير. زيادة كل حد قد تسبب تذبذباً أو بطئاً أو تشبعاً؛ لا توجد مجموعة معاملات سحرية صالحة لكل سطح وكرة.

تقدم مكتبة PID على وثائق Arduino مرجعاً للتطبيق، لكنها لا تضبط المنصة آلياً ولا تعوض عن معدل أخذ عينات متغير. سجل الطابع الزمني الفعلي، والخطأ، وأمر المحرك، والموضع المقاس. ضع حدوداً للمخرج، وتعامل مع تراكم التكامل عند تشبع المحرك، وأوقف التحكم إذا فقدت الكاميرا التتبع.

مثال عددي للتفكير لا لادعاء الأداء

لنفترض في سيناريو تعليمي أن الصورة تعطي إحداثياً من 0 إلى 1000 بكسل وأن المركز عند (500،500). إذا ظهرت الكرة عند (560،480)، يكون الخطأ (−60،20) وفق تعريف محور يختاره الفريق. هذا مجرد مثال حسابي؛ التحويل من البكسل إلى السطح يحتاج معايرة بأربع علامات، وقد يختلف مع ارتفاع الكاميرا أو تشوه العدسة. لا ترسل الرقم مباشرة إلى السير قبل تحديد التحويل إلى زاوية مسموحة.

اعرض الفيديو مع مسار موضع الكرة ومخطط إشارة الخطأ في لوحة واحدة. اكتب اتجاه المحاور ووحداتها، ومعدل الإطار، وزمن الدورة، حتى يمكن تفسير سبب اهتزاز النظام. افصل الزمن المستهلك في معالجة الصورة عن زمن استجابة المحرك، لأن تأخر أحدهما قد يقلب سلوك التحكم حتى لو كانت المعادلات صحيحة.

قارن الإعدادات على محاولات متكافئة

حدد مجموعة ضبط لتجربة المعاملات ومجموعة اختبار لا تغيرها أثناء الضبط. ابدأ بدفعة الكرة من موضع موحد وبلا دفع إضافي، وكررها لكل إعداد. قس زمن وصولها إلى دائرة الهدف، وأقصى انحراف، ومقدار التذبذب بعد الوصول، وعدد مرات سقوطها. قارن PID بخط أساس بسيط يعطي زاوية متناسبة مع الخطأ، ولا تعرض أفضل محاولة وحدها.

حالات الفشل تشمل وهجاً يحجب الكرة، وانقطاع الصورة، وارتداد الكرة قرب الحافة، وسيرفو لا يصل للزاوية المطلوبة، ومعدل قراءة يتباطأ. في حال فقد الثقة في الموضع، توقف آمن وأعد السطح إلى نقطة محايدة بدلاً من تخمين اتجاه الكرة. لا تختبر على منصة فوق طاولة عالية أو قرب أشخاص من دون حماية.

قدّم منصة قابلة للشرح والصيانة

عند إعداد مقترح مشروع التخرج، استخدم صفحة مشاريع التخرج لمواءمة المراحل مع وقت الفريق: محور واحد أولاً، ثم إضافة المحور الثاني بعد اختبار التتبع والتحكم. هذا التدرج يجعل نتائج كل جزء قابلة للشرح حتى إن لم يكتمل التوسيع.