طراحی و پیاده‌سازی یک سیستم کنترل موقعیت پنوماتیک کم‌هزینه با استفاده حسگر فاصله‌سنج لیزری

طهماسبی, محمدمهدی; جباری, علی; مدبری‌فر, مهدی

doi:10.66224/jii.4.2.1

طراحی و پیاده‌سازی یک سیستم کنترل موقعیت پنوماتیک کم‌هزینه با استفاده حسگر فاصله‌سنج لیزری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

محمدمهدی طهماسبی ¹

علی جباری ²

مهدی مدبری‌فر ²

¹ گروه مهندسی مکاترونیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

² گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

10.66224/jii.4.2.1

چکیده

با وجود پیشرفت‌های نظری در حوزه الگوریتم‌های کنترلی پنوماتیک، پیاده‌سازی صنعتی این سیستم‌ها به دلیل هزینه‌های بالای سخت‌افزاری و پیچیدگی‌های اجرایی با محدودیت‌های قابل‌توجهی مواجه است. این مقاله، رویکردی عملیاتی و مقرون‌به‌صرفه را برای دستیابی به سیستم کنترل موقعیت پنوماتیک با استفاده از میکروکنترلر آردوینو یونو (Arduino Uno) و سنسور فاصله‌سنج لیزری VL53L0X معرفی می‌کند. سیستم پیشنهادی توانسته است به اهداف کنترلی دست یابد؛ به‌این‌ترتیب که دقت بالایی (خطای کمتر از ۱ درصد) را در موقعیت‌یابی نشان داده و زمان پاسخگویی کوتاهی شامل زمان خیز ۱ ثانیه و زمان نشست ۷ ثانیه را به ثبت رسانده است. در کنار ارزیابی معیارهای عملکردی، این تحقیق به چالش‌های کلیدی در پیاده‌سازی عملی، از جمله مدیریت نویزهای الکتریکی، محدودیت‌های پردازش بلادرنگ در پلتفرم‌های سخت‌افزاری کم‌هزینه و فرآیندهای کالیبراسیون سنسور، به‌طور ویژه پرداخته است. نتایج حاصل از این مطالعه نشان می‌دهد که با طراحی دقیق و هوشمندانه، می‌توان به سطحی از عملکرد که برای کاربردهای صنعتی قابل‌قبول است، با هزینه‌ای به‌مراتب کمتر دست یافت. این امر، افق‌های جدیدی را برای توسعه اتوماسیون در بنگاه‌های کوچک و متوسط (SMEs) و همچنین مراکز آموزشی فراهم می‌آورد.

کلیدواژه‌ها

کنترل پنوماتیک

کنترل سوئیچینگ

پیاده‌سازی صنعتی

اتوماسیون کم‌هزینه

عنوان مقاله English

Design and Implementation of a Low-Cost Pneumatic Position Control System Using a Laser Distance Sensor

نویسندگان English

Mohammad Mahdi Tahmasbi ¹

Ali Jabbari ²

Mehdi Modabberifar ²

¹ Mechatronics Engineering Department, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran

² Department of Manufacturing and Production Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran

چکیده English

Despite theoretical advancements in pneumatic control algorithms, industrial implementation of these systems faces significant limitations due to high hardware costs and execution complexities. This paper introduces a practical and cost-effective approach for a pneumatic position control system utilizing the Arduino Uno microcontroller and the VL53L0X laser distance sensor. The proposed system has successfully achieved its control objectives, demonstrating high accuracy (less than 1% error) in positioning and exhibiting short response times, including a rise time of 1 second and a settling time of 7 seconds. Alongside the evaluation of performance metrics, this research specifically addresses key practical implementation challenges, such as managing electrical noise, real-time processing constraints on low-cost hardware platforms, and sensor calibration procedures. The obtained results suggest that with meticulous and intelligent design, an acceptable level of industrial performance can be attained at a substantially lower cost, thereby opening new avenues for automation development in small and medium-sized enterprises (SMEs) and educational institutions.

کلیدواژه‌ها English

Pneumatic Control

Switching Control

Industrial Implementation

Cost-Effective Automation

[1] Haider U, Mughal R, Sheikh F. Design and Development of a Low-Cost Multi-Channel Re-Programmable Electro-Pneumatic Actuator Kit. International Journal of Engineering and Applied Physics, 2023; 3(3): 814-822.
[2] Rajendran VK, Chockalingam A. Development of Design of Pneumatic Circuits using Arduino Microcontroller. International Journal of Science Technology & Engineering, 2018; 5(5): 27-29.
[3] Kumar H, Baghel A. Estimation of fatigue life using low cost pneumatic setup and Arduino based data acquisition (DAQ). Materials Today: Proceedings, 2021; p. 1-7.
[4] Parikh P, Vasani R, Sheth S, Gohil J. Actuation of Electro-Pneumatic System using MATLAB Simulink and Arduino Controller- A case of a Mechatronics systems Lab. In: Proceedings of ICCASP/ICMMD-2016. Advances in Intelligent Systems Research, 2017; 137: 59-64.
[5] Soriano A, Marín L, Vallés M, Valera A, Albertos P. Low Cost Platform for Automatic Control Education Based on Open Hardware. In: Proceedings of the 19th World Congress of the International Federation of Automatic Control. Cape Town, South Africa, 2014; p. 9044-9050.
[6] Goncalves J, Costa P. Differential Mobile Robot Controller Study: A Low Cost Experiment Based on a Small Arduino Based Prototype. In: Proceedings of the 2017 25th Mediterranean Conference on Control and Automation (MED). Valletta, Malta, 2017; p. 945-950.
[7] Rehman WU, Jiang G, Wang Y, Iqbal N, Rehman SU, Bibi S, Elahi H. A New Type of Aerostatic Thrust Bearing Controlled by High-speed Pneumatic Valve and a Novel Pressure Transducer. International Journal of Automotive and Mechanical Engineering, 2019; 16(4): 7430-7446.
[8] Young TR, Xavier MS, Yong YK, Fleming AJ. A Control and Drive System for Pneumatic Soft Robots: PneuSoRD. In: Proceedings of the 2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Las Vegas, NV, USA, 2020; p.1-8.
[9] Miao Y, Dong W, Du Z. Design of a Soft Robot with Multiple Motion Patterns Using Soft Pneumatic Actuators. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017; 269: 012013.
[10] Komarizadehasl S, Mobaraki B, Ma H, Lozano-Galant JA, Turmo J. Low-Cost Sensors Accuracy Study and Enhancement Strategy. Applied Sciences, 2022; 12: 3186.
[11] Heo HB, Park SH. Artificial Neural Network-Based Conveying Object Measurement Automation System Using Distance Sensor. Sensors, 2026; 26: 455.
[12] Sharma R, Patange AD, Padalghare R, Kale RC. Development of LiDAR operated inventory control and assistance robot. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, 2022; 238(1): 192-202.
[13] Perez M, Suarez A, Heredia G, Ollero A. Positioning System for Pipe Inspection with Aerial Robots using Time of Flight Sensors. In: 4th Iberian Robotics Conference (ROBOT 2019). Springer, Cham, 2019; p. 1-12.
[14] Tsuji S, Kohama T. Development of Omni-Directional Proximity Sensor for Drone. In: Proceedings of the 7th IIAE International Conference on Intelligent Systems and Image Processing 2019. The Institute of Industrial Applications Engineers, Japan, 2019; p. 311-315.
[15] Mulyani H, Abdurahim MN, Maulana MIW, Rafsanjani A, Rohman F, Arrifda M. Application of Arduino-based Control System Hydraulic Barricades to Improve Safety at Level Crossing Safety. Research Horizon, 2025; 5(3): 1007-1018.
[16] Chen Y, Chung H, Chen B, Ping HY, Sun Y. Pneumatic actuation-based bidirectional modules with variable stiffness and closed-loop position control. In: 2021 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Xi'an, China: IEEE, 2021; p. 1-7.
[17] Van Varseveld RB, Bone GM. Accurate position control of a pneumatic actuator using on/off solenoid valves. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1997; 2(3): 195-204.
[18] Nguyen T, Leavitt J, Jabbari F, Bobrow JE. Accurate sliding-mode control of pneumatic systems using low-cost solenoid valves. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2007; 12(2): 216-219.
[19] Hodgson S, Le MQ, Tavakoli M, Pham MT. Improved tracking and switching performance of an electro-pneumatic positioning system. Mechatronics, 2012; 22: 1-12.
[20] Hejrati B, Najafi F. Accurate pressure control of a pneumatic actuator with a novel pulse width modulation–sliding mode controller using a fast switching On/Off valve. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, 2012; 227(2): 230-242.
[21] Ahn K, Yokota S. Intelligent switching control of pneumatic actuator using on/off solenoid valves. Mechatronics, 2005; 15: 683-702.
[22] Qiu Z, Shimizu M, Wang Z, Kawamura S. A Position Estimation Method for Pneumatic Actuators Based on Flow and Pressure Sensors. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2024; 73: 7509209.
[23] Tadano K, Kawashima K, Kojima K, Tanaka N. Development of a Pneumatic Surgical Manipulator IBIS IV. Journal of Robotics and Mechatronics, 2010; 22(2): 179-188.
[24] Zhang Y, Bone GM. Direct switching position control algorithms for pneumatic actuators using on/off solenoid valves. In: Proceedings of the Canadian Society for Mechanical Engineering International Congress. Toronto, ON, Canada, 2018; p. 1-8.
[25] Bone GM, Ning S. Experimental comparison of position tracking control algorithms for pneumatic cylinder actuators. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2007; 12(5): 557-561.
[26] Hristov H, Iliev G, Dimitrov D. Speed Control of Pneumatic Power Transmission Systems Using On-Off Valves with Pulse Width Modulation. In: Proceedings of the University of Ruse, 2023; 62(1.1): 128-133.
[27] Rao Z, Bone GM. Nonlinear Modeling and Control of Servo Pneumatic Actuators. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2008; 16: 562-569.
[28] Pawlowski W, Malek A, Sikorski J. Pneumatic actuator positioning with pilot controlled check valves. Mechanics and Mechanical Engineering, 2021; 25: 1-7.
[29] Lim WC, Takaiwa M. Nanometer-Scale Positioning Control with Compensator Using Standard Type Linear Pneumatic Actuator. International Journal of Automation Technology, 2025; 19(4): 488-498.
[30] Zhang B, Jiang A, Jiang J, Qi Y, Xue L, Wang Y. A New Positioning Strategy Based on Parameter Tuning and Optimal Control Technique for Pneumatic Control Valve. Actuators, 2022; 11: 279.
[31] Ogata K. System Dynamics. Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 2004.