Самодельный робот на Arduino, следующий за рукой

Робот на Ардуино и машинка на Bluetooth своими руками

Робот – машинка на Ардуино становятся одним из самым популярных инженерных проектов в школьной робототехнике. Именно с таких устройств, автономных или управляемых со смартфона и bluetooth, начинается путь в робототехнику “после Lego”. К счастью, сегодня можно без труда купить все необходимые компоненты и достаточно быстро создать своего первого робота для езды по линии или объезда препятствий. В этой статье вы найдете подробную видео инструкцию как сделать продвинутый автомобиль Arduino Car своими руками, с питанием, датчиками линии, расстояния и управлении через bluetooth.

Робот на ардуино своими руками

В отличие от других проектов, создание робота – автомобиля (Arduino Car) требует понимания и навыков работы сразу с несколькими важными компонентами, поэтому не стоит приступать к созданию машинок без получения базовых навыков работы с платформой Arduino. В любом случае, вам нужно будет но только подключить готовые модули, но и собрать конструкцию, шасси с двигателями, обеспечить правильное питание и управление. Все это потребует определенного терпения.

Робот машина на Ардуино

Вот список ключевых компонентов, которые обязательно встретятся в проекте.

Контроллер Ардуино

Куда уж без него, если мы говорим о проектах на этой платформе. Как правило, роботы машины делают на базе плат Arduino Uno и Nano. Mega будут слишком большие, Pro Mini сложнее подключать к компьютеру и соединять с остальными компонентами, а Leonardo требуют дополнительных навыков в программировании, они дороже и их основное преимущество (тесная интеграция с компьютером в качестве периферийного устройства) в данном случае не слишком востребована.

Есть еще вариант использования плат ESP8266 или ESP32, тогда в проекте появляется возможность управления машиной через WiFi. Но и сами платы и их программирование требует определенных навыков, в этой статье мы будем говорить преимущественно об Uno или Nano.

Конструкция, шасси и двигатели робота на Ардуино

Для того, чтобы что-то поехало или стало перемещаться, надо снабдить “это” колесами, гусеницами или манипуляторами-ногами. Вот тут выбор совершенно не ограничен, можно использовать совершенно любые комбинации и сочетания платформ. Как правило, в качестве начального варианта берутся уже готовые наборы платформ с Алиэкспресс.

Двигатель шасси ардуино

Если работать со стандартными наборами вам не интересно, можно создать платформу своими руками. Например, разобрать игрушечные радиоуправляемые машинки или любые двигатели на 5-12 вольт, с редукторами или без. Колеса можно создать и самим, что тоже является интересной задачей.

Драйвер двигателей

Драйвер двигателя L298N

Ардуино – достаточно ранимое устройство, не терпящее больших нагрузок по току. Соединяя его с “брутальными” мощными двигателями, не избежать беды. Поэтому для нормальной совместной работы нам нужно будет включить в схему робота компонент, отвечающий за управление двигателями – подающий и отключающий ток на их обмотки. Речь идет о микросхеме или готовом модуле, которые называют драйвером двигателя. На нашем сайте есть статьи, посвященные драйверам, построенным на схеме H-моста. Если вы покупаете готовые шасси, то обязательно предусмотрите возможность размещения на них подходящего драйвера.

Красивый корпус

Как правило, вся конструкция автомобиля строится вокруг его шасси. Если посмотреть примеры готовых проектов, то они часто выглядят как “провода на колесиках” – внешний вид их изобилует пучками соединительных проводов, ведущих от восседающего на троне контроллера Ардуино к драйверам, моторам и датчикам. Между тем, красивый и функциональный корпус не только вызывает правильные эстетические чувства и помогает выделить вашу модель от остальных. Хороший корпус может превратить игрушку в реальное устройство, помогает привить навыки конструирования и промышленного дизайна, что важно для инженеров любого возраста.

Питание робота

Обеспечение правильной схемы питания – это то, что очень часто оказывается на последнем месте в списке приоритетов начинающих ардуинщиков. Между тем, именно ошибки в схеме электропитания становятся основными причинами проблем, возникающих в процессе работы умных устройств на Ардуино. Создавая ардуино-машинку нужно предусмотреть питание контроллера, двигателей, драйвера и датчиков. У всех них есть свои ограничения и особенности работы, требуется создать оптимальное по весу и сложности решение, позволяющее учесть все эти ограничения.

Читайте также:
Надо ли поливать картофель

Питание робота

Создавая по-настоящему автономное устройство робота, нужно побеспокоиться и о времени его работы, и о возможности быстрой подзарядки или смены батареек. Как правило, выбираются решения из следующих вариантов:

  • Обычные батарейки AA. Тут нужно понимать, что платы Arduino Uno, Nano и большинство двигателей, используемых в Ардуино-робототехнике, требуют напряжения в диапазоне 6-9 вольт. Поэтому придется собрать вместе последовательно не менее 4 батареек на 1,5 В, причем сами батарейки должны быть хорошего качества и обеспечивать работу с достаточно большим током. Например, большинство солевых батареек этим критериям не удовлетворяют. Батарейки AAA при создании ардуино-машинок практически не используются из-за своей пониженной емкости (хотя могут использоваться в миниатюрных моделях, где размер имеет первостепенное значение).
  • Аккумулятор AA. Здесь возникает еще большее ограничение по напряжению и току. Большинство аккумуляторов выдают напряжение 1,2 вольт, поэтому их требуется больше для “собирания” нужных нам 6-9 вольт. Несомненным плюсом является возможность перезарядки.
  • Литиевые аккумуляторы 18650. Это уже “серьезная артиллерия”, позволяющая получить большое время автономной работы, возможность подзарядки и приемлемые характеристики по току и напряжению. Рабочее напряжение для таких элементов питания – 3,7 В, что позволяет собирать готовую схему питания всего из двух элементов.
  • Другие источники питания. Сюда можно включить как более мощные и габаритные никель-металлгидридные, кадмиевые аккумуляторы, так и многочисленные литий-ионные “плоские” варианты, используемые в дронах, смартфонах или другой портативной цифровой технике.

Каким бы ни был источник питания, нужно обеспечить его надежное крепление, удобное расположение, защиту от воздействия недружелюбной окружающей среды. Если вы подключаете к одному источнику и контролер, и двигатели, и датчики, то нужно позаботиться о правильной схеме, включающей, например, надежную связь “по земле” всех устройств.

Где купить платформу и запчасти

Все, о чем говорится в этой статье, можно без проблем купить на всем известном сайте. К сожалению, подавляющее большинство предложений основываются на стандартной платформе 4WD автомобиля с двумя несущими планками, не очень надежными двигателями и колесами, любящими ездить в “развалочку”. Но эти варианты относительно не дороги и вполне подойдут для начала работы.

Самобалансирующийся робот на Arduino Uno

Нам кажется что многие из вас находятся под сильным впечатлением от быстро развивающихся технологий современного мира, одними из впечатляющих технологий современности являются двигатели от RYNO и самобалансирующиеся скутеры от Segway. Мы думаем, что многих из вас посещала мысль создать что либо подобное. Поэтому в данной статье мы рассмотрим создание DIY (самодельного, своими руками) самобалансирующегося робота на основе платы Arduino. Во многом принципы работы данного робота будут основаны на алгоритмах PID (PID – proportional, integral, derivative – пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор), используемых для построения самобалансирующихся скутеров.

Внешний вид самобалансирующегося робота на Arduino Uno

Оказалось, что создание подобного робота является задачей не из легких и дело здесь не ограничивается правильным выбором двигателей для робота и ввода необходимых значений в алгоритм PID. Оказалось, что для создания подобного рода необходимо учитывать и много других вещей, например, тип батареи, позиция батареи, захват колеса, тип драйвера мотора, поддержание центра тяжести и многое другое. Но мы все таки попробуем создать такого робота. Итак, начнем.

Необходимые компоненты

  1. Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
  2. Приводной двигатель постоянного тока желтого цвета (Geared DC motor (Yellow coloured) ) – 2 шт.
  3. Модуль драйвера мотора L298N (L298N Motor Driver Module) (купить на AliExpress).
  4. Гироскоп MPU6050 (купить на AliExpress).
  5. Два колеса.
  6. 7.4V Li-ion Battery (литий-ионная батарея или литий-полимерная батарея) (купить на AliExpress).
  7. Соединительные провода.
  8. Напечатанный на 3D принтере скелет (остов) робота.

Микроконтроллер: в качестве управляющего микроконтроллера в данном проекте мы выбрали плату Arduino UNO потому что с ней просто работать. Вы можете также использовать платы Arduino Nano или Arduino mini, но мы все таки рекомендовали использовать бы Arduino UNO потому что ее можно программировать без использования внешнего аппаратного обеспечения.

Читайте также:
Применение точечных потолочных светильников

Двигатели: конечно, лучшим выбором для построения самобалансирующегося робота были бы шаговые двигатели, но в целях упрощения проекта мы использовали приводные двигатели (gear motor) постоянного тока желтого цвета – они значительно проще и дешевле чем шаговые.

Драйвер мотора (Motor Driver): если вы, как и мы, выбрали приводные двигатели постоянного тока, то вы можете использовать модуль драйвера мотора L298N или даже L293D (с ним проект будет также работать отлично). Более подробно об управлении электродвигателем постоянного тока с помощью платы Arduino и драйвера мотора L293D можно прочитать в этой статье.

Колеса: не стоит недооценивать эти элементы конструкции робота. У нас достаточно долго не получалось настроить баланс робота пока мы не поняли что проблема состоит в колесах. Колеса для построения самобалансирующегося робота должны иметь очень хорошее сцепление с полом и ни в коем случае они не должны проскальзывать при движении по полу.

Акселерометр и гироскоп: наилучшим выбором в качестве акселерометра и гироскопа для нашего проекта будет модуль MPU6050 – на нашем сайте вы можете прочитать статью о его подключении к плате Arduino. Ни в коем случае не пытайтесь создать подобного робота с использованием обычного акселерометра, например, ADXL345 или подобного ему – это не будет работать. Более подробно объяснение этого фактора будет приведено в конце статьи.

Батарея: для проекта необходима батарея, которая по возможности будет максимально легкой и ее напряжение должно быть больше 5V чтобы мы могли запитать от нее плату Arduino непосредственно, без использования повышающего напряжения модуля. Идеальным выбором в данном случае будет 7.4V Li-polymer (литий-полимерная) батарея. Но в нашем распоряжении была только 7.4V литий-ионная батарея, поэтому мы ее и использовали при создании робота. Но помните о том, что литий-полимерная батарея в данном случае будет все таки лучше чем литий-ионная.

Шасси робота: еще один элемент робота, при создании которого неуместны компромиссы. Для изготовления шасси робота вы можете использовать листы картона, дерево, пластик и т.п. Но помните о том, что шасси должно быть достаточно прочным и не изгибаться когда робот пытается балансировать. Мы для изготовления шасси робота использовали 3D принтер, ссылки на необходимые файлы для него будут приведены далее в статье.

3D печать и сборка шасси робота

Если вы хотите использовать (напечатать) то же самое шасси, которое использовали и мы, то вы можете скачать необходимые для его печати STL файлы с сервиса thingiverse. Мы также добавили туда файлы дизайна чтобы вы могли изменить внешний вид компонентов шасси по своему желанию.

Компоненты данного шасси робота не имею нависающих структур, поэтому вы без особых проблем можете напечатать их на практически любом 3D принтере. Мы для этой цели использовали программное обеспечение Cura и 3D принтер Tevo Tarantula, установки для печати компонентов показаны на следующем рисунке.

Настройки 3D печати для компонентов самобалансирующегося робота

Вам необходимо напечатать скелет робота и 4 компонента для крепления двигателей. Для сборки робота можно использовать 3 мм болты (шурупы). После сборки у вас должна получиться конструкция примерно следующего вида:

Конструкция робота после сборки

Изначально дизайн робота предусматривал размещение модуля драйвера мотора L298N в нижнем отсеке робота и батарею на его верху как показано на приведенном выше рисунке. Этот дизайн робота также является рабочим и вы можете его использовать, в этом случае вы можете непосредственно скрепить части робота, используя специально выделенные для этого отверстия.

Но мы в дальнейшем решили немного изменить дизайн робота и поменяли место расположения батареи и платы Arduino UNO для упрощения ее программирования. Для обеспечения соединений в схеме мы использовали перфорированную плату. Внешний вид самобалансирующегося робота для данного расположения элементов показан на следующем рисунке.

Альтернативная конструкция самобалансирующегося робота

Работа схемы

Схема самобалансирующегося робота на основе платы Arduino UNO представлена на следующем рисунке.

Читайте также:
Натуральная черепица — обзор характеристик, виды, обзор достоинств и недостатков

Схема самобалансирующегося робота на основе платы Arduino UNO

Как видите, схема достаточно проста и в ней вам всего лишь необходимо подключить гироскоп MPU6050 и драйвер мотора к плате Arduino, а также соединить двигатели с драйвером мотора. Схема запитывается от литий-ионной батареи на 7.4V.

Плата Arduino и модуль драйвер мотора L298N непосредственно запитываются через контакты Vin и 12V соответственно. Встроенный в плату Arduino регулятор напряжения преобразует входное напряжение 7.4V в напряжение 5V, с помощью которого и запитывается микроконтроллер ATmega на плате и гироскоп MPU6050. Электродвигатели постоянного тока могут запитываться от напряжения от 5V до 12V, в нашем случае они будут работать от напряжения 7.4V.

Распиновка подключения контактов гироскопа MPU6050 представлена в следующей таблице.

MPU6050 контакт Arduino
Vcc +5V
Ground Gnd
SCL A5
SDA A4
INT D2

Распиновка подключения контактов драйвера мотора L298N представлена в следующей таблице.

L298N контакт Arduino
IN1 D6
IN2 D9
IN3 D10
IN4 D11

Гироскоп MPU6050 взаимодействует с платой Arduino через интерфейс I2C, поэтому для его подключения мы использовали SPI контакты A4 и A5 платы Arduino. Двигатели постоянного тока управляются с помощью ШИМ (широтно-импульсная модуляция) контактов D6, D9, D10 и D11. ШИМ сигнал в данном случае необходим для управления скоростью вращения двигателей.

Программирование самобалансирующегося робота

Как мы уже видели, схема нашего проекта достаточно проста, но вся “магия” нашего проекта будет как раз заключаться в его программе для платы Arduino UNO. В программе мы с помощью гироскопа MPU6050 будем проверять наклоняется ли робот вперед или назад. Если робот будет наклоняться вперед, то нам необходимо вращать колеса в прямом направлении (прямо) для удержания баланса, а если он будет наклоняться назад, то нам необходимо будет вращать колеса в обратном направлении.

В это же самое время мы должны будем управлять скоростью вращения колес – если робот будет слегка дезориентирован от центрального положения колеса будут вращаться немного медленнее и скорость будет увеличиваться по мере удаления от центрального положения. Для управления подобной логикой робота мы использовали PID алгоритм, в котором центральное положение рассматривается как исходная точка, а уровень дезориентации является выходом.

Для определения текущего положения робота в нашем проекте мы используем модуль MPU6050, который является 6-осевым акселерометром и гироскопом одновременно. Для того чтобы получить надежное значение позиции робота нам необходимо получать значения одновременно и от акселерометра, и от гироскопа поскольку значения от акселерометра обычно зашумлены, а значения от гироскопа имеют тенденцию смещаться (дрифтовать) с течением времени. То есть в программе мы будем комбинировать значения с контактов yaw, pitch и roll гироскопа, а использовать будем только значение с выхода yaw.

На первый взгляд задача создания подобного робота в домашних условиях звучит как невозможная, неправда ли? Но благодаря сообществу Arduino у нас в распоряжении уже есть готовая библиотека, способная выполнять вычисления по алгоритму PID, а также библиотека для работы с гироскопом MPU6050. Эти библиотеки разработаны авторами br3ttb и jrowberg соответственно. Перед началом написания программы вам необходимо их скачать по ниже приведенным ссылкам и добавить в папку с библиотеками Arduino на вашем компьютере.

После того, как эти библиотеки добавлены в соответствующую папку, приступим к написанию программы для нашего самобалансирующегося робота. Полный код программы для этого робота приведен в конце данной статьи, здесь же сначала рассмотрим наиболее важные фрагменты этого кода.

Первым делом в программе мы должны подключить используемые библиотеки – I2C library, PID Library и MPU6050 Library (последние две мы как раз скачали).

Опыт создания первого робота на Ардуино (робот-«охотник»)

В данной статье я хочу описать процесс сборки своего первого робота на ардуино. Материал будет полезен другим таким же новичкам, как и я, которые захотят изготовить какую-нибудь «самобеглую тележку». Статья представляет собой описание этапов работы с моими дополнениями по различным нюансам. Ссылка на итоговый код (скорее всего, не самый идеальный) дана в конце статьи.

Читайте также:
Отзывы о котлах Висман, газовых и твердотопливных моделей Viessman

По мере возможности я привлекал к участию своего сына (8 лет). Что именно с ним получалось, а что нет — на это я выделил часть статьи, возможно, кому-то пригодится.

Общее описание робота

Вначале несколько слов о самом роботе (идея). Собирать что-то типовое на старте не очень хотелось. В то же время, набор компонентов был довольно стандартным — шасси, двигатели, ультразвуковой датчик, датчик линии, светодиоды, пищалка. Вначале из этого «супового набора» был придуман робот, который охраняет свою территорию. Он едет на нарушителя, который пересек линию круга, а потом возвращается в центр. Однако в этом варианте была нужна прочерченная линия, плюс лишняя математика, чтобы постоянно оставаться в круге.

Поэтому после некоторых обдумываний я несколько изменил идею и решил делать робота-«охотника». На старте он поворачивается вокруг своей оси, выбирая поблизости цель (человека). Если «жертва» обнаружена, «охотник» включает мигалку и сирену, и начинает ехать на нее. Когда человек отходит/отбегает, робот выбирает новую цель и преследует ее, и так далее. Такому роботу не нужен ограниченный круг, и он может работать на открытой территории.

Как видите, это во многом напоминает игру «догонялки». Хотя в итоге робот и не получился достаточно резвым, но он честно взаимодействует с окружающими его людьми. Особенно это нравится детям (иногда, правда, кажется, что они вот-вот растопчут его, аж сердце ёкает. ). Думаю, для популяризации технического конструирования это хорошее решение.

Структура робота

Итак, мы определились с идеей, перейдем к компоновке. Список элементов формируется из того, что должен уметь робот. Тут всё вполне очевидно, поэтому сразу посмотрим на нумерацию:

«Мозги» робота — плата arduino uno (1); была в заказанном из Китая наборе. Для наших целей ее вполне хватает (ориентируемся на количество используемых пинов). Из этого же набора мы взяли готовое шасси (2), на которое крепятся два ведущих колеса (3) и одно заднее (свободно вращающееся) (4). Также в наборе был готовый батарейный отсек (5). Спереди у робота стоит ультразвуковой датчик (HC-SR04) (6), сзади — драйвер двигателей (L298N) (7), по центру — светодиод-мигалка (8), и чуть в стороне — пищалка (9).

На этапе компоновки мы смотрим:

— чтобы все влезло
— чтобы было сбалансировано
— чтобы было рационально размещено

Частично это уже сделали за нас китайские коллеги. Так, тяжелый батарейный отсек поставлен в центр, и примерно под ним стоят ведущие колеса. Все остальные платы легкие, их можно размещать по периферии.

  1. В шасси из набора есть много заводских отверстий, но какая в них логика — я так и не разобрался. Двигатели и аккумуляторный блок закрепились без проблем, дальше началась «подгонка» со сверлением новых отверстий, чтобы закрепить ту или иную плату.
  2. Весьма выручили латунные стойки и прочий крепеж из запасников (иногда приходилось выкручиваться).
  3. Шины от каждой платы пропускал через зажимы (опять же нашел в запасниках). Весьма удобно, все провода лежат красиво и не болтаются.

Отдельные блоки

Теперь пройдусь по блокам и расскажу персонально про каждый.

Батарейный отсек

Понятно, что робот должен иметь хороший источник энергии. Варианты могут быть разные, я выбрал вариант с 4 аккумуляторами АА. В сумме они дают примерно 5 В, и такое напряжение можно прямо подать на пин 5V платы arduino (минуя стабилизатор).

Некоторая настороженность, конечно, у меня была, но это решение вполне работоспособно.

Так как питание нужно везде, то для удобства я сделал по центру робота два разъема: один «раздает» землю (справа), а второй — 5 В (слева).

Двигатели и драйвер

Сначала про крепление двигателей. Крепление заводское, но сделано с большими допусками. Другими словами, двигатели могут «вихлять» на пару миллиметров влево-вправо. Для нашей задачи это не критично, а вот где-то может и влиять (робота начнет уводить в сторону). На всякий случай я выставил двигатели строго параллельно и зафиксировал клеем.

Читайте также:
Настенный светильник в ванную комнату

Для управления двигателями, как я писал выше, используется драйвер L298N. По документации у него три пина на каждый двигатель: один для изменения скорости и пара пинов для направления вращения. Тут есть один важный момент. Оказывается, если напряжение питания 5 В, то регулировка скорости просто не работает! То есть либо совсем не крутит, либо крутит по максимуму. Вот такая особенность, из-за которой я «убил» пару вечеров. В конце концов, нашел упоминание где-то на одном из форумов.

Вообще говоря, низкая скорость вращения мне требовалась при развороте робота — чтобы он имел запас времени просканировать пространство. Но, так как с такой задумкой ничего не вышло, пришлось делать по другому: небольшой поворот — остановка — поворот — остановка и т. д. Опять же, не столь изящно, но работоспособно.

Еще здесь добавлю, что после каждого преследования робот выбирает случайное направление нового поворота (по или против часовой стрелки).

Ультразвуковой датчик

Еще одна железяка, где пришлось искать компромиссное решение. Ультразвуковой датчик на реальных препятствиях дает нестабильные цифры. Собственно, это было ожидаемо. Идеально он работает где-нибудь на соревнованиях, где есть гладкие, ровные и перпендикулярные поверхности, а вот если перед ним «мелькают» чьи-то ноги — тут нужно вводить дополнительную обработку.

В качестве такой обработки я поставил медианный фильтр на три отсчета. Исходя из тестов на реальных детях (во время тестов ни один ребенок не пострадал!), его оказалось вполне достаточно для нормализации данных. Физика здесь простая: у нас есть сигналы, отраженные от нужных объектов (дающие требуемое расстояние) и отраженные от более далеких, например, стен. Вторые представляют собой случайные выбросы в измерениях вида 45, 46, 230, 46, 46, 45, 45, 310, 46… Именно их медианный фильтр и отсекает.

После всей обработки у нас получается расстояние до ближайшего объекта. Если оно меньше некоторой пороговой величины — тогда мы включаем сигнализацию и едем прямо на «нарушителя».

Мигалка и сирена

Пожалуй, самые простые элементы из всего перечисленного. Их видно на фотографиях выше. По железу здесь писать нечего, поэтому теперь перейдем к коду.

Программа управления

Расписывать детально код я смысла не вижу, кому нужно — ссылка в конце статьи, там всё достаточно читабельно. А вот общую структуру было бы неплохо объяснить.

Первое, что пришлось осмыслить: робот — это устройство реального времени. Точнее, вспомнить, потому что и раньше, и сейчас все равно занимаюсь электроникой. Значит, сразу забываем про вызов delay(), который очень любят использовать в скетчах-примерах, и который просто «замораживает» программу на указанный промежуток времени. Вместо этого, как советуют опытные люди, вводим таймеры на каждый блок. Прошел требуемый промежуток — выполнили действие (увеличили яркость светодиода, включили двигатель и так далее).

Таймеры могут быть взаимосвязаны. Так, например, пищалка работает синхронно с мигалкой. Это чуть упрощает программу.

Естественно, всё разбиваем на отдельные функции (мигалка, звук, поворот, движение вперед и так далее). Если так не делать, то потом уже не разобраться, что откуда и куда.

Нюансы педагогики

Все, что было описано выше, я делал в свободное время по вечерам. В неспешном режиме я потратил на робота где-то недели три. На этом можно было бы и завершиться, но я еще обещал вам рассказать о работе с ребенком. Что выполнимо в таком возрасте?

Работа по инструкции

Каждую деталь мы сначала проверяли отдельно — светодиоды, пищалка, моторы, датчики и т. д. Есть большое количество готовых примеров — какие-то прямо в среде разработки, другие можно найти в интернете. Это, несомненно, радует. Берем код, подключаем деталь, убеждаемся, что работает, далее уже начинаем изменять под свою задачу. Подключения по схеме и под некоторым моим контролем ребенок делает сам. Это хорошо. Работать четко по инструкции тоже надо уметь.

Читайте также:
Снеговики своими руками. Пять мастер-классов

Порядок работы («от частного к общему»)

Вот это сложный пункт. Нужно приучать, что большой проект («сделать робота») состоит из мелких задач («подключить датчик», «подключить моторы». ), а те, в свою очередь, из еще более мелких шагов («найти программу», «подключить плату», «загрузить прошивку». ). Выполняя более-менее понятные задачи нижнего уровня, мы «закрываем» задачи среднего уровня, а из них уже складывается общий результат. Объяснял, но, думаю, осознание придет еще не скоро. Где-то, наверное, к подростковому возрасту.

Сверление, резьбы, винты, гайки, пайка и запах канифоли — куда же без этого. Ребенок получил базовый скилл «Работа с паяльником» — удалось спаять несколько соединений (я чуть-чуть помогал, не скрою). Не забывайте про объяснение техники безопасности.

Работа на компьютере

Программу для робота писал я, но каких-то попутных результатов все-таки удалось достичь.

Первое: английский. В школе его только-только начали, поэтому мы «со скрипом» разбирали, что такое pishalka, migalka, yarkost и прочий транслит. Поняли хотя бы это. Я осознанно не стал использовать родные английские слова, так как до этого уровня мы еще не дошли.

Второе: эффективная работа. Учили горячие комбинации клавиш, как быстро выполнять типовые операции. Периодически, когда писали программу, мы менялись с сыном местами, и я говорил, что нужно сделать (замену, поиск и т.д.). Приходилось повторять снова и снова: «выдели двойным кликом», «зажми Shift», «зажми Ctrl» и так далее. Процесс обучения здесь не быстрый, но, я думаю, навыки постепенно отложатся «в подкорку».

Вы можете сказать, что описанное выше — это почти очевидно. Но, честно, этой осенью мне довелось вести информатику в 9-х классах в одной школе. Это ужас. Ученики не знают таких элементарных вещей, как Ctrl + Z, Ctrl + C и Ctrl + V, выделения текста с зажатым Shift-ом или двойным кликом на слове и прочего. Это при том, что у них шел третий год обучения информатике… Вывод сделайте сами.

Третье: слепая печать. Комментарии в коде я доверил печатать ребенку (пусть тренируется). Сразу поставили правильно руки, чтобы пальцы постепенно запоминали расположение клавиш.

Как видите, у нас все еще только-только начинается. Навыки и знания будем оттачивать и дальше, в жизни пригодятся.

Кстати, про перспективу…

Дальнейшее развитие

Робот сделан, ездит, мигает и пищит. Что же теперь? Воодушевившись достигнутым, мы планируем дорабатывать его дальше. Есть задумка сделать дистанционное управление — по типу лунохода. Было бы интересно, сидя за условным пультом, контролировать движение робота, который ездит совсем в другом месте. Но это уже будет отдельная история…

CARduino – самодельный робот на Arduino

CARduino – самодельный робот на Arduino

Как понятно из названия, это робот на контроллере Arduino UNO. К нему разработаны собственные библиотеки для простого и удобного использования. В обычной комплектации робот содержит два двигателя, два колеса и дальномер, установленный на передней панели. Также сверху на нём есть макетная плата для добавления разнообразных устройств на ваше усмотрение. Он работает и управляется автономно, однако к нему можно добавить радиоуправление. В этой статье описана работа с ним и библиотеками и есть несколько примеров.

CARduino – самодельный робот на Arduino

Что такое библиотека?
Библиотека облегчает управление CARduino. Этот проект рассчитан на людей с небольшим опытом в программировании, которые хотят делать простых роботов. Вам даже не нужно знать, как управлять мотором. Библиотека сводит программу до простых команд “Повернуть направо и проехать 1 секунду” или “Ехать вперед 3 секунды, а затем ускориться”. Библиотека также содержит примеры программ, которые помогут вам. Более подробная информация о библиотеке содержится в конце статьи.

Если у меня нет таких же материалов, я могу использовать другие?
Конечно, вы можете собирать робота как вам угодно. Библиотека будет работать практически независимо от сборки. Например, вы можете использовать другой материал для шасси. Я использовал дерево, потому что смог найти только его.

Читайте также:
Потолок в деревянном доме. Как утеплить, виды и фото

Что может сделать робот?
Он может делать все что угодно. Даже без дополнительных устройств его возможности практически не ограничены. При помощи библиотеки CARduino, писать программу для Arduino очень легко. Дополнительная макетная плата позволяет добавлять разнообразные датчики.

Какая стоимость робота?
Если собирать его с нуля, то около 100$. У меня были почти все части, поэтому он обошелся мне примерно в 30$. Все компоненты достаточно распространены и должны у вас быть.

Детали

Детали для робота

1х Arduino Uno.
1х Макетная плата.
1х Разъёмы для Arduino и макетной платы.

1х Дальномер Sharp.
2х Микро мотора.
Пара колес 49×19мм.
Пара кронштейнов для двигателя.
Пара шариковых колёс .
Драйвер моторов для Arduino.
1х Кусок дерева 15×10.75 см.
12х Шурупов.
1х 9В батарея

Подготовка шасси робота

Перед началом сборки необходимо вырезать кусок дерева необходимых размеров, прикрепить шариковые колёса как описано ниже, прикрепить основные колёса, установит макетную плату и Arduino на основу.

Установка шариковых колёс

Установите оба колеса сзади, с обеих сторон. Отметить места, на которые попадают их крепёжные отверстия и просверлите их. Используйте шурупы для крепления.

Установка шариковых колёс

Установка моторчиков

Это довольно просто. Все, что вам нужно сделать – это вставить двигатели в кронштейн и прикрепить их на углах доски. Вы можете припаять провода к ним. Не перепутайте положительные и отрицательные контакты.

Крепление моторчиков

Установка Arduino и макетной платы

Вы должны начать с центрирования Arduino и макетной платы на шасси. Отметьте отверстия держателя и просверлите их. Потом прикрепите основу с макетной платой и Arduino шурупами.

Установка датчика

Установка датчика

Расположите датчик спереди и посередине, отметьте крепёжные отверстия и просверлите их. Вы должны использовать отверстия на обоих сторонах датчика. Используйте шурупы для крепежа. Убедитесь, что при установке JST выводы находится вверху. Вставьте JST провода в датчик.
Красный провод присоедините к + макетной платы, черный к GND, а желтый в любую другую точку. После этого подключите драйвер моторов к Arduino.

Подключение моторчика

Подключение двигателей колес к драйверу

Подключите положительный контакт правого двигателя к отрицательному контакту А драйвера.
Подключите отрицательный контакт правого двигателя к отрицательному контакту А драйвера.

Подключите положительный контакт левого двигателя к отрицательному контакту В драйвера.
Подключите отрицательный контакт левого двигателя к отрицательному контакту В драйвера.

Подключение моторчика

Подключение питания и датчика

Подключение питания и датчика

Подключите 5В к + макетной платы, а GND к GND макетной платы. Желтый провод датчика подключите ко второму контакту АЦП.

Установка батареи

Просто приклейте её супер клеем на задней панели CARduino. Затем присоедините + и GND к + и GND Carduino.

Установка батареи

Вы закончили сборку робота! На нем без изменений будет работать библиотека и тестовые программы. Подробнее о этом написано ниже.

Библиотека

Для установки библиотеки скачайте Carduino.zip ниже. Найдите / arduino-1.0/libraries. Извлеките содержимое архива в эту папку.. Чтобы использовать её, откройте Arduino IDE и последуйте по пути -> import library -> Carduino.

Значение функций:
void mycarduino.begin ()
Инициализация CARduino. Напишите эту команду в начале программы.

void mycarduino.goforward (время в секундах, скорость)
Эта функция перемещает CARduino вперед в течении указанного времени с указанной скоростью. Скорость может быть любым числом от 1 до 1023, 1023 – максимальная скорость.

void mycarduino.goback (время в секундах, скорость)
То же самое, только назад.

void mycarduino.turnright (время)
Поворот направо в течении указанного в времени(в миллисекундах).

void mycarduino.turnleft (время)
Тоже самое налево.

Int mycarduino.proximity ()
Возвращает значение с датчика в сантиметрах

Примеры:
Перейдите по адресу File -> Examples -> Carduino -> [имя на ваш вкус]

Blink – CARduino секунду двигается вперед, на секунду останавливается, секунду движется вперёд, и т.д.

Object Avoid – CARduino постоянно движется вперед, пока объект находится на расстоянии более 25 сантиметров. Затем он случайным образом выбирает сторону и поворачивает в неё на 800 или 2300 миллисекунд.

Читайте также:
Особенности и варианты применения в интерьере стен из красного кирпича

Cautious Driving – работает как предыдущая программа, но замечая объект на расстоянии 40 см замедляет скорость.

Вы полностью закончили проект!

Ниже видео робота в действии (из-за проблем с дальномером он отключен, но робот работал)

Робот, ездящий по линии под управлением Arduino

В данной статье будет описан процесс создания робота, ездящего по линии. Эта задача является классической, идейно простая, она может решаться много раз, и каждый раз вы будете открывать для себя что-то новое. Решение этой задачи и реализация полученного решения позволяют приобрести необходимые начальные навыки для дальнейшего совершенствования в робототехнике.

Существует множество подходов для решения задачи следования по линии. Выбор одного из них зависит от конкретной конструкции робота, от количества сенсоров, их расположения относительно колёс и друг друга.

В нашем примере будет собран робот на лёгкой платформе с двумя колёсами и двумя датчиками линии, расположенными на днище робота перед колёсами.

В результате выглядеть он будет так:

Что понадобится

Для нашего примера понадобятся следующие детали:

Вообще говоря, лучше было бы использовать NiMH-аккумуляторы: они лучше отдают ток и значительно дольше держат напряжение, но для целей этого проекта одной батарейки на 9 В вполне хватило.

Собираем робота

Сначала соберём робота, установим всю механику и электронику.

Собираем платформу

Для начала прикрепим колёса к моторам.

Затем с помощью пластиковых П-образных креплений прикручиваем моторчики к платформе. Обратите внимание на взаимное расположение крепления и моторчики: в креплении есть небольшие углубления, так что если всё соединить правильно, то моторчики будут крепко держаться и никуда не выскочат.

Теперь крепим балансировочный шар.

Отлично! Платформа собрана. Если вам кажется, что колёсам отведено слишком мало места и они трутся о платформу, то скорее всего вам нужно посильнее надавить на колёса, чтобы они плотнее сели на вал мотора.

Крепим сенсоры

Закрепим их, как показано на фото:

Можно было бы выбрать и другое место. Это могло бы сделать контроль проще или сложнее, а самого робота более или менее эффективным. Оптимальное расположение — вопрос серии экспериментов. Для этого проекта просто был выбран такой способ крепления.

Крепим Arduino

Arduino закрепим с противоположной стороны двумя винтиками и гайками.

Опять же, можно выбрать и другое место. Например над колёсами, если приподнять Arduino на латунных стойках. Это изменило бы положение центра масс и повлияло бы на эффективность робота в лучшую или худшую сторону.

Крепим Motor Shield и соединительные провода

Установим Motor Shield на Arduino и подсоединим соединительные провода. Обратите внимание, чтобы соотвествовать программному коду из примера ниже, моторчики соединены с Motor Shield так: правый — к клеммам M1 с прямой полярностью (плюс к плюсу), а левый — к M2 с обратной (плюс к минусу).

В этом проекте, для экономии времени концы соединительных проводов просто скручены с контактами моторов. При работе «начисто» стоит жёстко припаять провода к моторам.

Крепим Troyka Shield

Присоединяем сверху Troyka Shield и подключаем датчики к 8 и 9 цифровым контактам. В итоге получаем следующую конструкцию:

Программирование

Теперь напишем программу, которая заставит собранную конструкцию двигаться по нарисованной линии. В проекте мы будем использовать чёрную линию, напечатанную на белых листах бумаги.

Основная идея алгоритма

Пусть у нас усть белое поле, и на нём чёрным нарисован трек для нашего робота. Используемые датчики линии выдают логический ноль, когда «видят» чёрное и единицу, когда «видят» белое.

На прямой робот должен пропускать трек между сенсоров, то есть оба сенсора должны показывать единички.

При повороте траектории направо, правый сенсор наезжает на трек и начинает показывать логический ноль. При повороте налево, ноль показывает левый сенсор.

Таким образом получаем простую систему с тремя состояниями:

На вход системы поступает информация с сенсоров. Получаем следующую логику переходов:

Левый Правый Целевое состояние
STATE_FORWARD
1 STATE_RIGHT
1 STATE_LEFT
1 1 STATE_FORWARD
Читайте также:
Перевод Амперов в Ватты: правила и практические примеры перевода единиц напряжения и силы тока

Реализация на Arduino

Проблема инертности и её решение

Однако если выставить скорость моторов побольше, мы столкнёмся со следующей проблемой: наш робот будет вылетать с трека, не успевая отреагировать на поворот. Это связано с тем, что наши моторчики не умеют тормозить мгновенно.

В этом легко убедиться поставив следующий эксперимент: с заданной скоростью робот будет двигаться по поверхности, и в некоторый момент будет установлена нулевая скорость и измерен тормозной путь робота. Пусть робот разгоняется по монотонной поверхности и тормозится при фиксировании импровизированной стоп-линии.

Эксперимент проведём для разных скоростей. Код программы для эксперимента таков:

На той поверхности, на которой проводился эксперимент, были получены следующие результаты:

Таким образом, начиная с некоторого момента у нашего робота нет никакой возможности успеть среагировать и остаться на треке.

Что можно сделать?! После того, как сенсоры улавливают поворот, можно остановиться и вернуться назад на некоторое расстояние, зависящее от скорости перед остановкой. Однако мы можем отдать команду роботу ехать с какой-то скоростью, но не можем приказать ему проехать какое-то расстояние.

Для того, чтобы понять зависимость расстояния при заднем ходе от времени, был проведён ещё один замер:

На скорости 50, например, робот проделывал путь, зависящий от времени следующим образом:

Полученные две зависимости были линейно аппроксимированы, затем была выведена формула зависимости времени, которое надо двигаться назад, от скорости перед остановкой.

Обратим внимание на то, что у вас значения могут оказаться другими: из-за особенностей сборки либо из-за поверхности, поэтому в общем случае лучше провести все измерения самостоятельно.

Адаптивное поведение

Перед финальным экспериментом произведём ещё несколько поправок.

Во-первых, нам необязательно давать команду ехать назад перед каждым поворотом, как мы помним, на маленькой скорости робот прекрасно справляется и без этого. К тому же лучше ему двигаться не прямо назад, а немного поворачивая, всё-таки робот находится перед поворотом.

Во-вторых, нам стоит различать состояния робота: когда он движется по прямой, и ничто ему не мешает ускоряться; и когда робот входит в поворот. В первом случае действительно будем увеличивать скорость робота для более динамичного прохождения трека, во втором случае будем сбрасывать скорость до значения, достаточного для успешного прохождения поворота, и будем держать эту скорость ещё какое-то время.

В итоге наш код будет выглядит следующим образом:

Результат

Что дальше?

Представленный алгоритм оставляет множество возможностей для улучшения и оптимизации. Скорость поворота можно так же менять адаптивно. Можно добавить контроль заноса. Можно поиграть с расположением сенсоров и центром масс. В конце концов можно получить непобедимого на треке робота.

Нет ничего лучше, чем обставить оппонента на секунду-другую.

Если не указано иное, содержимое этой вики предоставляется на условиях следующей лицензии: CC Attribution-Noncommercial-Share Alike 4.0 International

Делаем самобалансирующего робота на Ардуино

Рассказываем о том как можно использовать Ардуино для создания самобалансирующего робота, который балансирует как Сигвей.

Как работает балансировка?

Сигвей от англ. Segway – двухколесное средство передвижения стоя, оснащенное электроприводом. Еще их называют гироскутерами или электрическими самокатами.

Вы когда-нибудь задумывались, как работает Сигвей? В этом уроке мы постараемся показать вам, как сделать робота Ардуино, который уравновешивает себя точно так же, как Segway.

Чтобы сбалансировать робота, двигатели должны противодействовать падению робота. Это действие требует обратной связи и корректирующих элементов.

Элемент обратной связи – гироскоп-акселерометр MPU6050, который обеспечивает как ускорение, так и вращение во всех трех осях (основы MP26050 I2C). Ардуино использует это, чтобы знать текущую ориентацию робота. Корректирующим элементом является комбинация двигателя и колеса.

В итоге должен получиться примерно такой друг:

Схема робота

Сначала подключите MPU6050 к Ардуино и проверьте соединение, используя коды в этом учебном руководстве по интерфейсу IMU. Если данные теперь отображаются на последовательном мониторе, вы молодец!

Продолжайте подключать остальные компоненты, как показано выше. Модуль L298N может обеспечить +5В, необходимый для Ардуино, если его входное напряжение составляет +7В или выше. Тем не менее, мы выбрали отдельные источники питания для двигателя и схемы.

Читайте также:
Признание права собственности на гараж по закону

Внимание! Если вы планируете использовать напряжение питания более 12 В для модуля L298N, вам необходимо удалить перемычку чуть выше входа +12 В.

Создание робота

Корпус робота изготовлен в основном из акрилового пластика с двумя редукторными двигателями постоянного тока:

Основная печатная плата, состоящая из Arduino Nano и MPU6050:

Модуль драйвера двигателя L298N:

Мотор редуктора постоянного тока с колесом:

Самобалансирующийся робот по существу является перевернутым маятником. Он может быть лучше сбалансирован, если центр массы выше относительно колесных осей. Высший центр масс означает более высокий момент инерции массы, что соответствует более низкому угловому ускорению (более медленное падение). Вот почему мы положили батарейный блок на верх. Однако высота робота была выбрана исходя из наличия материалов 🙂

Завершенный вариант самостоятельно балансирующего робота можно посмотреть на рисунке выше. В верхней части находятся шесть Ni-Cd-батарей для питания печатной платы. В промежутках между моторами используется 9-вольтовая батарея для драйвера двигателя.

Теория

В теории управления, удерживая некоторую переменную (в данном случае позицию робота), требуется специальный контроллер, называемый ПИД (пропорциональная интегральная производная). Каждый из этих параметров имеет «прирост», обычно называемый Kp, Ki и Kd. PID обеспечивает коррекцию между желаемым значением (или входом) и фактическим значением (или выходом). Разница между входом и выходом называется «ошибкой».

ПИД-регулятор уменьшает погрешность до наименьшего возможного значения, постоянно регулируя выход. В нашем самобалансирующем роботе Arduino вход (который является желаемым наклоном в градусах) устанавливается программным обеспечением. MPU6050 считывает текущий наклон робота и подает его на алгоритм PID, который выполняет вычисления для управления двигателем и удерживает робота в вертикальном положении.

PID требует, чтобы значения Kp, Ki и Kd были настроены на оптимальные значения. Инженеры используют программное обеспечение, такое как MATLAB, для автоматического вычисления этих значений. К сожалению, мы не можем использовать MATLAB в нашем случае, потому что это еще больше усложнит проект. Вместо этого мы будем настраивать значения PID. Вот как это сделать:

  1. Сделайте Kp, Ki и Kd равными нулю.
  2. Отрегулируйте Kp. Слишком маленький Kp заставит робота упасть, потому что исправления недостаточно. Слишком много Kp заставляет робота идти дико вперед и назад. Хороший Kp сделает так, что робот будет совсем немного отклоняться назад и вперед (или немного осциллирует).
  3. Как только Kp установлен, отрегулируйте Kd. Хорошее значение Kd уменьшит колебания, пока робот не станет почти устойчивым. Кроме того, правильное Kd будет удерживать робота, даже если его толькать.
  4. Наконец, установите Ki. При включении робот будет колебаться, даже если Kp и Kd установлены, но будет стабилизироваться во времени. Правильное значение Ki сократит время, необходимое для стабилизации робота.

Поведение робота можно посмотреть ниже на видео:

Код Ардуино самобалансирующего робота

Нам понадобилось четыре внешних библиотеки, для создания нашего робота. Библиотека PID упрощает вычисление значений P, I и D. Библиотека LMotorController используется для управления двумя двигателями с модулем L298N. Библиотека I2Cdev и библиотека MPU6050_6_Axis_MotionApps20 предназначены для чтения данных с MPU6050. Вы можете загрузить код, включая библиотеки в этом репозитории.

Значения Kp, Ki, Kd могут работать или не работать. Если они этого не делают, выполните шаги, описанные выше. Обратите внимание, что наклона в коде установлен на 173 градуса.

Вы можете изменить это значение, если хотите, но обратите внимание, что это угол наклона, которым должен поддерживаться роботом. Кроме того, если ваши двигатели слишком быстры, вы можете отрегулировать значения:

  1. motorSpeedFactorLeft
  2. motorSpeedFactorRight

17 апреля 2018 в 00:20 | Обновлено 16 марта 2020 в 20:11 (редакция)
Опубликовано: Редакция
Уроки, Arduino, Моторы, Робототехника

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: