Программирование LEGO NXT роботов на языке NXC - Еще раз о моторах

Автор: Daniele Benedettelli

Перевод: © Ботов Антон aka =DeaD=, 2009

Эксклюзивно для www.roboforum.ru
копирование на другие ресурсы и публикация перевода
без разрешения его автора запрещены

Еще раз о моторах

Существует несколько дополнительных команд для моторов, которые вы можете использовать для более точного управления моторами. В этой главе мы обсудим эти команды: ResetTachoCount, Coast (Float), OnFwdReg, OnRevReg, OnFwdSync, OnRevSync, RotateMotor, RotateMotorEx, а также основы ПИД-управления.

Плавная остановка

Когда вы используете команду Off(), сервомотор мгновенно останавливается, блокируя вал и удерживая позицию. Существует способ более мягкой остановки мотора не используя блокировку вала. Для этого используйте команды Float() или что то же самое - Coast(), они просто отключают питание моторов. Вот пример, сначала робот останавливается используя блокировку вала, а потом останавливается без использования блокировки. Обратите внимание на разницу. На самом деле для конкретно этого робота разница достаточно незаметна, но для других роботов эта разница будет гораздо больше.

task main()
{
  OnFwd(OUT_AC, 75);
  Wait(500);
  Off(OUT_AC);
  Wait(1000);
  OnFwd(OUT_AC, 75);
  Wait(500);
  Float(OUT_AC);
}

Дополнительные команды

Команды OnFwd() и OnRev() являются простейшими командами для управления моторами.

Сервомоторы из набора NXT имеют встроенные энкодеры, которые позволяют вам достаточно точно контролировать положение вала и скорость его вращения.

Встроенная в NXT прошивка реализует алгоритм ПИД-управления (Пропорциональный Интегральный Дифференциальный - от названия основных трёх его компонент) положением вала и скоростью его вращения с обратной связью через энкодеры.

Если вы хотите, чтобы ваш робот ездил строго по прямой, вы можете использовать возможность синхронизации двигателей, которая объединяет их в пару, в которой каждый двигатель замедляется, если второй не успевает крутиться с нужной скоростью. Подобным образом вы можете настроить пару моторов на работу в синхронизированном режиме с процентом скорости левого двигателя по отношению к правом, для поворота направо, налево или вращения на месте, при этом траектория будет выполняться достаточно точно. Существует множество команд, которые позволяют полностью использовать возможности сервомоторов из набора NXT!

Команда OnFwdReg(‘ports',‘speed',‘regmode') включает двигатели указанные в ‘ports' на движение вперед со скоростью ‘speed' применяя режим регуляции, который может быть OUT_REGMODE_IDLE, OUT_REGMODE_SPEED или OUT_REGMODE_SYNC. Если выбран режим IDLE, ПИД-регулирование будет отключено; если режим SPEED, Модуль NXT будет регулировать скорость отдельных моторов чтобы получить постоянную скорость, даже если нагрузка на мотор меняется; и наконец, если выбран режим SYNC, пара моторов указанная в ‘ports' работают в синхронизированном режиме, как было описано выше.

Команда OnRevReg() работает так же как и выше, только в другую сторону.

task main()
{
  OnFwdReg(OUT_AC,50,OUT_REGMODE_IDLE);
  Wait(2000);
  Off(OUT_AC);
  PlayTone(4000,50);
  Wait(1000);
  ResetTachoCount(OUT_AC);
  OnFwdReg(OUT_AC,50,OUT_REGMODE_SPEED);
  Wait(2000);
  Off(OUT_AC);
  PlayTone(4000,50);
  Wait(1000);
  OnFwdReg(OUT_AC,50,OUT_REGMODE_SYNC);
  Wait(2000);
  Off(OUT_AC);
}

Эта программа показывает различные способы регулирования. Если вы попробуете остановить колёса робота, удерживая их в руках, при первом режиме (IDLE) ничего не будет происходить, во втором режиме (SPEED) попытка замедлить колесо вызовет увеличение мощности подаваемой на этот мотор, так как NXT пытается добиться заданной ему скорости; и наконец, в режиме синхронизации (SYNC), если попытаться остановить одно колесо - второе так же остановится, дожидаясь заблокированного колеса.

OnFwdSync(‘ports',‘speed',‘turnpct') делает то же самое что OnFwdReg() в режиме SYNC, но можно указать 'turnpct' - процент поворота влево\вправо (от -100 до 100).

OnRevSync() делает то же самое что и предыдущая команда, только направления обратные. Следующая программа показывает эти команды в работе: попробуйте менять процент поворота, чтобы увидеть как это влияет на работу двигателей.

task main()
{
  PlayTone(5000,30);
  OnFwdSync(OUT_AC,50,0);
  Wait(1000);
  PlayTone(5000,30);
  OnFwdSync(OUT_AC,50,20);
  Wait(1000);
  PlayTone(5000,30);
  OnFwdSync(OUT_AC,50,-40);
  Wait(1000);
  PlayTone(5000,30);
  OnRevSync(OUT_AC,50,90);
  Wait(1000);
  Off(OUT_AC);
}

И наконец, моторы можно поворачивать на конкретное число градусов (помните, что полный оборот это 360°).

Для обоих следующих команд, вы можете указывать направление вращения моторов или знаком скорости или знаком угла: так что если скорость или знак имеют один и тот же знак - мотор будет крутиться вперед, иначе назад.

RotateMotor(‘ports',‘speed',‘degrees') вращает вал мотора указанного в ‘ports' на ‘degrees' градусов со скоростью ‘speed' (в диапазоне 0-100).

task main()
{
  RotateMotor(OUT_AC, 50,360);
  RotateMotor(OUT_C, 50,-360);
}

RotateMotorEx(‘ports',‘speed',‘degrees',‘turnpct',‘sync', 'stop') это расширение предыдущей команды, которое позволяет синхронизировать два мотора (например, OUT_AC) указывая процент поворота ‘turnpct' (от -100 до 100) и флаг ‘sync' (который может быть или истиной или ложью). Также команда позволяет указать - нужно ли по её завершении блокировать вал двигателя, для этого используется флаг 'stop'.

task main()
{
  RotateMotorEx(OUT_AC, 50, 360, 0, true, true);
  RotateMotorEx(OUT_AC, 50, 360, 40, true, true);
  RotateMotorEx(OUT_AC, 50, 360, -40, true, true);
  RotateMotorEx(OUT_AC, 50, 360, 100, true, true);
}

ПИД-управление

Встроенное программное обеспечение NXT реализует цифровой ПИД-регулятор для точного управления положением и скорости сервомоторов. Этот тип управления один из самых простых и при этом эффективных способов управления с обратной связью, широко используемый во всяких задача автоматизации.

Если кратко, он работает так (Я буду говорить об управлении положением вала цифровым контроллером):

Ваша программа задаёт контроллеру требуемое положение R(t); он выдаёт мощность U(t) на двигатель, замеряя положение вала Y(t) встроенными энкодерами и рассчитывает отклонение E(t) = R(t) – Y(t): вот почему это называется контроллер с обратной связью, потому что выходное положение вала мотора возвращается на вход контроллера, чтобы посчитать насколько он сейчас промахивается. Контроллер при этом превращает размер отклонения E(t) в новую команду для двигателя U(t) таким образом:

U(t) = P(t) + I(t) + D(t), где

P(t) = KP·E(t),

I(t) = KI·( I(t–1) + E(t) )

и D(t) = KD·(E(t) – E(t –1)).

Это может выглядеть достаточно сложно для новичка, но я предприму все усилия, чтобы помочь вам объяснить этот механизм. Команда является суммой трёх частей, Пропорциональной части P(t), интегральной I(t) и дифференциальной D(t).

P(t) даёт контроллеру быстроту реакции, but it does not assure a null error at equilibrium;

I(t) даёт контроллеру “память”, in the sense that it takes trace of accumulated errors and compensates them, with the guarantee of a zero error at equilibrium;

D(t) даёт контроллеру “возможность предугадывать” to the controller (as derivation in math), speeding up response.

I know this can still be confusing, consider that entire academic books have been written on this argument! But we can still try it online, with our NXT brick! The simple program to fix things into memory is the following.

#define P 50
#define I 50
#define D 50
task main(){
  RotateMotorPID(OUT_A, 100, 180, P, I, D);
  Wait(3000);
}

The RotateMotorPID(port,speed, angle, Pgain,Igain,Dgain) let you move a motor setting different PID gains from the default ones. Try setting the following values (50,0,0): the motor does not rotate 180° exactly, since an uncompensated error remains (0,x,x): without proportional part, the error is very big (40,40,0): there's an overshoot, that means the motor shaft moves beyond the set point and then turns back (40,40,90): good precision and raising time (time to reach the set point) (40,40,200): the shaft oscillate, since derivative gain is too high Try other values to discover how these gains influence a motor's performance.

Подводим итоги

In this chapter you learned about the advanced motor commands available: Float(),Coast() that stop the motor gently; OnXxxReg(), and OnXxxSync() that allow feedback control on motors' speed and sync; RotateMotor() and RotateMotorEx() are used to turn motor's shaft by a precise number of degrees. You learned something about PID control too; it has not been an exhaustive explanation, but maybe I have caused a bit of curiosity in you: search the web about it!