Продолжая цикл статей моделирования параллельных механизмов с использованием аппаратной платформы Arduino и различного подручного хлама (Ловим горизонт с Arduino, Трех-степенной манипулятор на Arduino), сегодня стоит уделить внимание управлению шести-степенной платформой с помощью языка Python из операционной системы Linux.
В предыдущих постах я рассказывал о перспективе создания макета шести-степенной платформы Стьюарта. И так все компоненты пришли из далекого Китая, а также собраны на столе, можно приступать!
Разработка предыдущих макетов производилась с использованием ноутбука с операционной системой Windows 7, с установленной Visual Studio 2008. Все программирование осуществлялось на языке C# с библиотекой Microsoft .NET Framework.
Так как основной машиной для работы и выполнения повседневных задач является стационарный компьютер с установленной операционной системой Ubuntu Linux 10.4, то было решено освоить взаимодействие на Python с Arduino. Почему бы не вооружиться опытом работы с «железкой» из различных сред ;)
Для работы нам понадобятся следующие инструменты и материалы:
Из программного обеспечения необходимо:
Область применения механизмов с различными степенями свободы, в основе которых лежат параллельные кинематическими связями очень широка:
Масштабируемость таких механизмов позволяет легко строить на их основе крупногабаритные агрегаты, обладающие высокой скоростью, а большие ускорения конструкции применяются для создания различных промышленных роботов или платформ, например, для телескопов, лазеров, телекоммуникационных антенн или реактивных двигателей.
Подробное описание работы с сервоприводами описано в моей статье про трех-степенную платформу, в данном случае вместо трех приводов используется шесть, схема расположения соответствует платформе Стьюарта.
Чтобы не поломать платформу в критических положениях или при нагрузке в качестве соединительных частей коллега по работе (огромное спасибо Михаилу) предложил использовать обычные стержни от гелиевых ручек, а в качестве узлов стыковки шаровую опору от вертолета.
Вид на платформу сверху после сборки:
Управление сервоприводами осуществляется с помощью ШИМ, соответственно с 2-7 выходов Arduino Mega:
А внутри под платформой сервы подключены обычным образом на макетной плате:
В общем случае, мы просто удвоили количество компонентов относительно трех-степенной схемы и скомпоновали в одну, довольно устойчивую конструкцию. Важно зафиксировать шаровые опоры на стержнях с помощью клея, потому что во время множества тестов вылетания соединений просто раздражают.
Понятие шесть степеней свободы по Википедии имеет следующее определение:
Графически данное определение можно отобразить следующим образом (источник)
Исходя из этого получаем что шесть степеней свободы это:
Пример поворота вокруг оси Х — крена судна (источник):
Пример поворота вокруг оси Y — тангажа судна (источник):
Пример поворота вокруг оси Z — рысканья судна (источник):
В интернете имеется много примеров описания степеней поворота вокруг осей, вот один из них.
После сборки макета, а также модификации программы управления тремя сервоприводами формат команды управления получается следующий:
Команда управления состоит из 1 байта префикса команды, в нашем случае будет использоваться символ 'S', и шести положений приводов по два байта. Как сформировать такую команду с помощью языка C понятно сразу: объявить структуру соответствующего формата. В языке Python в «комплекте батареек» имеется замечательный модуль struct для формирования строки из набора полей.
Представленная выше структура в терминах модуля struct имеет следующий вид:
По документации модуля:
Все первичные тесты можно выполнять в консоли языка Python, в нашем случае используется мощное средство IPython, а для подключения к «железу» нам понадобится библиотека Serial.
Подключение к платформе осуществляется следующим образом:
Отправка данных после успешного подключения и открытия порта выполняется так:
Данный код ляжет в основу процедур тестирования платформы, а также для программы управления платформы с помощью джойстика.
Для автоматического тестирования всех степеней свободы можно использовать следующие простые процедуры на Python:
Самый простой способ получения значений с «палки удовольствия», это воспользоваться модулем PyGame. Данный модуль базируется на SDL и имеет множество удобных средств для разработки игрушек на Python, а также он включает в себя средства для работы с игровыми контроллерами.
Простой пример инициализации джойстика и получения координат:
Программа управления платформой с помощью джойстика имеет графический интерфейс благодаря библиотеке PyQt4, хотя сначала было горячее желание сделать её на curses (что почти было реализовано). Когда подключен джойстик и открыт порт работы с платой, то по таймеру данные через интервал в 33 мс получаются с игрового контроллера и передаются на плату.
Интерфейс программы управления:
Примечание: Сразу хочу оговориться, что джойстик дешевый, поэтому у него много мертвых зон и отвратительная чувствительность, а платформа на «быстрых» сервах, поэтому косяки джойстика сразу видны.
В результате тестирования программы получилось следующее видео:
В результате проделанной работы мы достигли следующих результатов.
Основные проблемы на будущее, в решение которых часто могут помочь ваши комментарии:
P.S.: В качестве новатора в данной области не выступаю, приветствую любые пожелания и критику.
В предыдущих постах я рассказывал о перспективе создания макета шести-степенной платформы Стьюарта. И так все компоненты пришли из далекого Китая, а также собраны на столе, можно приступать!
Инструменты и материалы
Разработка предыдущих макетов производилась с использованием ноутбука с операционной системой Windows 7, с установленной Visual Studio 2008. Все программирование осуществлялось на языке C# с библиотекой Microsoft .NET Framework.
Так как основной машиной для работы и выполнения повседневных задач является стационарный компьютер с установленной операционной системой Ubuntu Linux 10.4, то было решено освоить взаимодействие на Python с Arduino. Почему бы не вооружиться опытом работы с «железкой» из различных сред ;)
Для работы нам понадобятся следующие инструменты и материалы:
| Найменование | Количество |
| Агрегат с установленным Linux | 1 шт. |
| Шести-степенная платформа | 1 шт. |
| Arduino Mega | 1 шт. |
| Макетная плата | 1 шт. |
| Стяжка | 6 шт. |
| Сервоприводы | 6 шт. |
| Уголки | 6 шт. |
| Шаровые опоры | 12 шт. |
| Стержни от гелиевых ручек | 6 шт. |
| Соединительные провода | 20 шт. |
| Пингвин + скотч | 1 шт. |
| Джойстик | 1 шт. |
Из программного обеспечения необходимо:
- Linux
- Arduino 0022
- Python
- IPython
- PyGame
- PySerial
- PyQt4
Собираем платформу
Область применения механизмов с различными степенями свободы, в основе которых лежат параллельные кинематическими связями очень широка:
- многокоординатные фрезерные и сверлильные станки
- симуляторы летательных аппаратов
- регулируемые шарнирные фермы для позиционирования объектов
- самописцы т.д.
Масштабируемость таких механизмов позволяет легко строить на их основе крупногабаритные агрегаты, обладающие высокой скоростью, а большие ускорения конструкции применяются для создания различных промышленных роботов или платформ, например, для телескопов, лазеров, телекоммуникационных антенн или реактивных двигателей.
Подробное описание работы с сервоприводами описано в моей статье про трех-степенную платформу, в данном случае вместо трех приводов используется шесть, схема расположения соответствует платформе Стьюарта.
Чтобы не поломать платформу в критических положениях или при нагрузке в качестве соединительных частей коллега по работе (огромное спасибо Михаилу) предложил использовать обычные стержни от гелиевых ручек, а в качестве узлов стыковки шаровую опору от вертолета.
Вид на платформу сверху после сборки:
Управление сервоприводами осуществляется с помощью ШИМ, соответственно с 2-7 выходов Arduino Mega:
А внутри под платформой сервы подключены обычным образом на макетной плате:
В общем случае, мы просто удвоили количество компонентов относительно трех-степенной схемы и скомпоновали в одну, довольно устойчивую конструкцию. Важно зафиксировать шаровые опоры на стержнях с помощью клея, потому что во время множества тестов вылетания соединений просто раздражают.
Шесть степеней
Понятие шесть степеней свободы по Википедии имеет следующее определение:
Шесть степеней свободы (часто употребляется аббревиатура 6DoF, от англ. Six degrees of freedom) — указывает на возможность геометрической фигуры совершать геометрические движения в (трёхмерном) пространстве, а именно: двигаться вперёд/назад, вверх/вниз, влево/вправо (в декартовой трёхмерной системе координат), включая повороты вокруг каждой из трёх взаимноперпендикулярных осей (рыскание, тангаж, крен). Известно, что перемещение по любому вектору в пространстве можно представить в виде суммы трёх элементарных перемещений по базовым векторам вдоль каждой из осей, причём каждое такое элементарное перемещение невыводимо из двух других. Произвольный поворот формы в пространстве также может быть задан последовательностью поворотов вокруг каждой из осей (по Эйлеру). Отсюда цифра 6 (шесть).
Графически данное определение можно отобразить следующим образом (источник)
Исходя из этого получаем что шесть степеней свободы это:
- Линейное смещение по оси Х
- Линейное смещение по оси Y
- Линейное смещение по оси Z
- Поворот вокруг оси Х (roll — крен)
- Поворот вокруг оси Y (pitch — тангаж)
- Поворот вокруг оси Y(yaw — рысканье)
Пример поворота вокруг оси Х — крена судна (источник):
Пример поворота вокруг оси Y — тангажа судна (источник):
Пример поворота вокруг оси Z — рысканья судна (источник):
В интернете имеется много примеров описания степеней поворота вокруг осей, вот один из них.
Программирование
После сборки макета, а также модификации программы управления тремя сервоприводами формат команды управления получается следующий:
Команда управления состоит из 1 байта префикса команды, в нашем случае будет использоваться символ 'S', и шести положений приводов по два байта. Как сформировать такую команду с помощью языка C понятно сразу: объявить структуру соответствующего формата. В языке Python в «комплекте батареек» имеется замечательный модуль struct для формирования строки из набора полей.
Представленная выше структура в терминах модуля struct имеет следующий вид:
import struct
struct.pack('<chhhhhh', 'S', pos1, pos2, pos3, pos4, pos5, pos6 )
По документации модуля:
- < — указывает на порядок байт от младшего к старшему после преобразования переменных
- c — сопоставляет строку Python длиной в 1 символ переменной типа char (1 байт) языка Си
- h — сопоставляет целочисленное значение Python в переменную типа short (2 байта) языка Си
Все первичные тесты можно выполнять в консоли языка Python, в нашем случае используется мощное средство IPython, а для подключения к «железу» нам понадобится библиотека Serial.
Подключение к платформе осуществляется следующим образом:
import serial
serialPort = serial.Serial('/dev/ttyUSB0', 115200)
serialPort.open()
Отправка данных после успешного подключения и открытия порта выполняется так:
serialPort.write(struct.pack('<chhhhhh', 'S',x,y,z,roll,pitch,yaw))
Данный код ляжет в основу процедур тестирования платформы, а также для программы управления платформы с помощью джойстика.
Для автоматического тестирования всех степеней свободы можно использовать следующие простые процедуры на Python:
- import struct
- import time
- import math
- def send_data(serial, x, y, z, roll, pitch, yaw):
- serial.write(struct.pack('<chhhhhh', 'S',x, y, z, roll, pitch, yaw))
- def complex_test(serial, lenght=200, times=1000, delta=0.05, pause=0.7):
- test_linear(serial, lenght, times, delta)
- time.sleep(pause)
- test_yaw(serial, lenght, times, delta)
- time.sleep(pause)
- test_angles(serial, lenght, times, delta)
- time.sleep(pause)
- def test_linear(serial, lenght=200, times=1000, delta=0.05):
- for angle in xrange(1, times, 5):
- a = angle * math.pi / 180
- send_data(serial, int(lenght * math.cos(a)), int(lenght * math.sin(a)),0,0,0,0)
- time.sleep(delta)
- send_data(serial, 0,0,0,0,0,0)
- def test_angles(serial, lenght=200, times=1000, delta=0.05):
- for angle in xrange(1, times, 5):
- a = angle * math.pi / 180
- send_data(0, 0,0,0,int(30 * math.cos(a)),int(30 * math.sin(-a)))
- time.sleep(delta)
- send_data(serial, 0,0,0,0,0,0)
- def test_yaw(serial, lenght=200, times=1000, delta=0.05):
- for angle in xrange(1, times, 5):
- a = angle * math.pi / 180
- send_data(serial, int(lenght * math.cos(a)),0,0,int(30 * math.sin(a)),0,0)
- time.sleep(delta)
- send_data(serial, 0,0,0,0,0,0)
Управление джойстиком
Самый простой способ получения значений с «палки удовольствия», это воспользоваться модулем PyGame. Данный модуль базируется на SDL и имеет множество удобных средств для разработки игрушек на Python, а также он включает в себя средства для работы с игровыми контроллерами.
Простой пример инициализации джойстика и получения координат:
import pygame
# Шкала значений
SCALE = 1000
# Инициализация pygame, функция инициализации джойстика осуществляется автоматически
pygame.init()
# Получение доступных устройств
for jid in range(pygame.joystick.get_count()):
self.joysticksComboBox.addItem(u'%d %s' % (jid, pygame.joystick.Joystick(jid).get_name()))
# Инициализировать объект джойстика
self._joystick = pygame.joystick.Joystick(self.joysticksComboBox.currentIndex())
# Обновить события в pygame
pygame.event.pump()
# Получить положение от джойстика по заданной оси (в нашем случае ось X = 0)
# значение возвращается от -1 до 1 в виде float, поэтому его шкалируем
self._joystick.get_axis(0) * SCALE
Программа управления платформой с помощью джойстика имеет графический интерфейс благодаря библиотеке PyQt4, хотя сначала было горячее желание сделать её на curses (что почти было реализовано). Когда подключен джойстик и открыт порт работы с платой, то по таймеру данные через интервал в 33 мс получаются с игрового контроллера и передаются на плату.
Интерфейс программы управления:
Примечание: Сразу хочу оговориться, что джойстик дешевый, поэтому у него много мертвых зон и отвратительная чувствительность, а платформа на «быстрых» сервах, поэтому косяки джойстика сразу видны.
В результате тестирования программы получилось следующее видео:
Выводы
В результате проделанной работы мы достигли следующих результатов.
- Освоили работу с Arduino из операционной системы Linux, что особенно понравилось, так это отсутствие проблем разворачивания среды программирования, а также плата сразу подхватилась ядром (в Windows необходим FTDI драйвер).
- Научились работать с RS232 средствами языка Python, а также управлять «железом». Данный опыт позволяет без особых сложностей тестировать протокол обмена с платой просто из консоли без разработки лишнего кода, после чего можно данный протокол закладывать в любые уже готовые решения по работе с RS232.
- Научились работать с контроллером с помощью PyGame, это не сложно, но может новичкам и пригодится.
Основные проблемы на будущее, в решение которых часто могут помочь ваши комментарии:
- Хочется уйти от использования сервоприводов, потому не возможно рассчитать точно угол поворота для уменьшения линейных искажений движений платформы, в любом случае нужны линейные приводы (актуаторы). Из существующих я нашел только Frigelli L12, но он очень медленные, другой вариант использование ШВП, но их доступных не нашел вообще.
- В случае изменения силовой части придется искать новые шаровые опоры, используемые сейчас будут слишком малы для решения задачи в другом масштабе.
- Способы обратной связи с актуаторов, в промышленной автоматике это решается датчиками с ПИД регуляторами, но в меньших масшатабах оказался проблем.
P.S.: В качестве новатора в данной области не выступаю, приветствую любые пожелания и критику.
