Samovyvažovací robot: 6 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

V tomto Instructable vám ukážeme, jak postavit samovyvažovacího robota, kterého jsme vyrobili jako školní projekt. Je založen na některých dalších robotech, jako je nBot a další Instructable. Robota lze ovládat ze smartphonu Android pomocí připojení Bluetooth. Protože tento Instructible pokrývá pouze proces stavby, sepsali jsme také dokument pokrývající technické pozadí kódu a elektroniky. Obsahuje také odkazy na použité zdroje, takže se na ně můžete podívat, pokud pro vás dokument není dostatečně komplexní.

K provedení všech kroků tohoto projektu budete potřebovat dovednosti 3D tisku nebo jiný chytrý způsob připevnění kol k motorům.

Krok 1: Požadavky

Robot je založen na desce bezkartáčového kardanového závěsu Martinez. Existují určité nepatrné variace této desky, ale pokud ji máte s čipem ATmega328 a řadiči motoru L6234, měli byste být v pořádku. Pokud v Obrázcích Google vyhledáte „Martinez board“, uvidíte, že místo hlaviček nebo otvorů kolíků existuje několik desek se snadným konektorem pro čip a/nebo baterii IMU. V posledním případě vám přijde vhod, když si objednáte balíček kolíků, které poté můžete pájet do otvorů.

Seznam součástí

Některé položky v tomto seznamu obsahují odkazy na webové obchody.

• Ovladač: Martinez BoardDX.com (také je dodáván s IMU a některými záhlavími).
• IMU: MPU6050
• Baterie (450 mAh 3S LiPo baterie) Poznámka: budete také potřebovat 3S LiPo nabíječku eBay.com
• 2x Motor: Bezkartáčový motor 2208, KV100DX.com
• Kola (můžete je získat ze stávajících hraček nebo LEGO)
• 6x šroub M2 5 mm
• 8x šroub M3 (délka závisí na materiálu pro váš exteriér, jeden musí být extra dlouhý)
• Čip Bluetooth HC-05 (ujistěte se, že získáte jeden s připojenou deskou sériového rozhraní, nejen s holým čipem) DŮLEŽITÉ: Ujistěte se, že čip má pin označený KEY.
• Dráty: Žena - žena DuPont Nákup balení 20 drátů bude více než dost
• Páska na suchý zip
• USB kabel pro připojení ovladače k PC
• Volitelné: Záhlaví pinsDX.com (můžete je zkrátit nebo zlomit na požadovanou délku)
• Plastové podložky a rozpěrky

Nakonec potřebujete trochu akrylu, dřeva nebo lepenky doplněné lepidlem nebo páskou-k vytvoření struktury, která pojme všechny součásti.

Krok 2: Konfigurace čipu Bluetooth

Jakmile získáte všechny části, je čas na konfiguraci čipu Bluetooth. Pro komunikaci s komponentami budete potřebovat kabel USB pro připojení desky řadiče k počítači a Arduino IDE.

K tomu budete muset stáhnout soubor:

HC-05_Serial_Interface.ino

Potom postupujte takto:

1. Připojte ovladač k počítači pomocí kabelu USB.
2. Otevřete soubor.ino pomocí Arduino IDE.
3. V IDE přejděte na Nástroje, Deska a ujistěte se, že je nastaveno na Arduino/Genuino Uno.
4. Nyní přejděte na Nástroje, Port a nastavte jej na port COM, ke kterému je připojen ovladač. Obvykle existuje pouze jeden port. Pokud jich je více, zkontrolujte Správce zařízení (ve Windows) a zjistěte, který z nich je ovladačem.
5. Nyní klikněte na tlačítko Nahrát v IDE a počkejte, až se nahrávání dokončí. Poté odpojte kabel USB od počítače nebo ovladače.

Jakmile to provedete, připojte HC-05 pomocí kabelů DuPont následujícím způsobem:

Ovladač HC-05

KLÍČ +5V GND GND TXD RX RXD TX

Nyní znovu zapojte kabel USB a poté připojte pin VCC HC-05 k dalšímu +5V na ovladači. LED by měla blikat v intervalu ~ 1 sekundy.

V Arduino IDE vyberte správný port COM a poté přejděte na Nástroje, Sériový monitor.

Nastavte možnost Konec řádku v Sériovém monitoru na NL i CR. Nastavte přenosovou rychlost na 38 400. Nyní můžete použít sériový monitor k odesílání příkazů nastavení na čip Bluetooth. Toto jsou příkazy:

AT Zkontrolujte připojení

AT+NAME Získat/nastavit zobrazovaný název Bluetooth AT+UART Získat/nastavit přenosovou rychlost AT+ORGL Obnovit výchozí tovární nastavení AT+PSWD Získat/nastavit heslo Bluetooth

Chcete -li změnit název, heslo a přenosovou rychlost zařízení Bluetooth, odešlete následující příkazy:

AT+NAME = "Příklad jména"

AT+PSWD = "PassWord123" AT+UART = "230400, 1, 0"

Možnosti Jméno a Heslo lze nastavit na cokoli chcete, nezapomeňte nastavit přenosovou rychlost pomocí přesně stejného příkazu, jak je uvedeno výše. Tím se nastaví na 230 400 baudů s 1 stop bitem a bez parity. Po nastavení všeho znovu připojte kabel USB (ukončete režim nastavení) a zkuste spárovat telefon s čipem. Pokud vše funguje, odpojte kabel USB a přejděte k dalšímu kroku.

Krok 3: Připevnění kol k motorům

Kola, která byla použita v tomto projektu, mají neznámý původ (ležela v zásuvce se spoustou dalších věcí). Aby bylo možné připevnit kola k motorům, vytiskli jsme 3D kus, který odpovídal otvorům pro šrouby na motorech. Kusy byly přišroubovány pomocí tří 5 milimetrových 2M šroubů na motor. Oba kusy mají čep, který zapadá do otvorů v osách kol.

Součástí je model SolidWorks. Pravděpodobně jej budete muset upravit pro svá kola, nebo najít jiné praktické řešení, jak kola přizpůsobit. Například můžete použít Dremel k vyřezání otvoru stejné velikosti jako motor (nebo o něco menší, aby dobře přiléhal), poté můžete motor zatlačit do kola. Pokud to plánujete, ujistěte se, že pro tuto práci získáte vhodná kola.

Krok 4: Vytvoření exteriéru

Pro exteriér byly použity dva kusy dřeva a nařezané do stejného tvaru. Nejprve jsme ve spodní části dílu označili obvod motoru. Poté jsme každý roh označili 45stupňovou čárou, přičemž jsme zajistili, aby ponechal dostatek prostoru pro motor, aby seděl uprostřed dole. Poté jsme oba kusy dřeva sevřeli a odřízli rohy. Abychom věci dokončili, obrousili jsme rohy, aby byly méně ostré, a odstranili třísky.

Nyní je čas vyvrtat otvory pro šrouby a osu, která vystupuje ze zad motoru. Pokud při vrtání upnete kusy dřeva k sobě, musíte každý otvor vyvrtat pouze jednou.

K vytvoření rozvržení pro otvory pro šrouby jsme použili kousek papíru, který jsme umístili na zadní část motoru a pomocí tužky zatlačili do otvorů pro šrouby, přímo skrz papír. Kus papíru se čtyřmi otvory pro šrouby byl poté umístěn na dřevo, abychom mohli označit umístění vrtaných otvorů. K vyvrtání otvorů použijte vrták 3,5 mm. Nyní pomocí tužky a pravítka najděte střed těchto otvorů a vytvořte otvor pro osu pomocí vrtáku 5 mm. Motory připevněte šrouby M3, ale jeden z šroubů se širšími rozestupy ponechejte mimo jeden motor.

Abychom dostali konektor motoru a vodič dovnitř robota, vyvrtali jsme také 8 mm otvor kousek nad motor. Ujistěte se, že je dostatek místa na ohnutí vodičů, aniž by je příliš namáhal.

Je důležité pracovat co nejpřesněji, abyste vytvořili (téměř) dokonalý symetrický exteriér

Krok 5: Montáž součástí

Na dřevě označte svislou středovou vodicí čáru, abyste mohli součásti umístit doprostřed. Vše můžete na dřevo připevnit pomocí pásky na suchý zip. V našem robotu jsme k upevnění desky ovladače použili malé šrouby a matice, ale můžete také použít pásku se suchým zipem (v době, kdy jsme připojovali ovladač, jsme ji ještě neměli). Po dokončení stavby se ujistěte, že můžete připojit kabel USB.

Ovladač jsme umístili doprostřed tak, aby USB port směřoval dolů, abychom mohli zapojit kabel mezi kola. Můžete jej také nasměrovat na jednu ze stran.

Umístěte baterii tak vysoko, jak je to možné, aby byl robot těžký. Umístěte nabíjecí port také na snadno dostupné místo poblíž okraje.

Bluetooth čip

Připojte pin VCC čipu Bluetooth k +5V na ovladači a Bluetooth GND k GND ovladače. Pin TXD ovladače přejde na Bluetooth RX a pin RXD na ovladači přejde na pin TX Bluetooth. Pak už jen nalepte bluetooth čip někam na dřevěný panel pomocí pásky na suchý zip.

Pohybový čip

Pohybový čip má dva otvory pro šrouby, proto jsme čip připevnili pomocí distanční vložky tak, aby střed čipu spadl nad střed motoru. Na orientaci nezáleží, protože robot se při spouštění sám kalibruje. Nezapomeňte použít plastovou podložku pod hlavu šroubu, aby nedošlo ke zkratu obvodu.

Poté pomocí vodičů DuPont připojte piny k ovladači. Každý kolík je na ovladači označen stejně jako na pohybovém čipu, takže jeho připojení je docela samozřejmé.

Vypínač

Připojení vypínače je snadné. Vzali jsme jedno ze starého zařízení a odpájili ho z jeho desky s obvody. Chcete-li jej použít jako vypínač pro robota, připojte kladný vodič baterie ke kolíku (za předpokladu, že jde o třípólový spínač) na straně, na které chcete přepnout do polohy zapnuto. Poté připojte středový kolík ke kladnému příkonu ovladače. Ke spínači jsme připájili vodiče DuPont, aby samotná baterie nebyla k přepínači trvale připojena.

Spojení boků

Nyní znáte umístění součástí a máte dvě strany robota. Posledním krokem při konstrukci robota bude propojení obou stran mezi sebou. použili jsme čtyři sady tří kusů dřeva slepené k sobě a přišroubované k bokům tak, aby náš pohybový čip byl na střední ose robota. Je třeba říci, že na použitém materiálu, pokud je dostatečně pevný, příliš nezáleží. Můžete dokonce použít těžší spojení nahoře, abyste ještě více zvýšili výšku těžiště. Ale na rozdíl od svislé polohy těžiště by měla být vodorovná poloha těžiště co nejvíce udržována na místě, nad osou kola, protože kódování pohybového čipu by bylo dost těžké, kdyby byl vodorovný střed hromadně přemístěných.

Nyní jste připraveni nahrát kód a vyladit ovladač.

Krok 6: Nahrání a vyladění kódu

K nahrání kódu potřebujete počítač s Arduino IDE. Stáhněte si níže uvedený soubor.ino a otevřete jej pomocí Arduino IDE. Nahrání do ovladače se provádí stejným způsobem jako u kódu z nastavení Bluetooth.

Aby robot fungoval, musíte si z Obchodu Play stáhnout aplikaci „Joystick bluetooth Commander“. Zapněte napájení robota a položte jej na podlahu, buď na přední, nebo na zadní stranu. Spusťte aplikaci a připojte se k čipu Bluetooth. Datové pole 1 přejde z XXX do READY, jakmile se robot sám zkalibruje (5 sekund na umístění na bok, poté 10 sekund kalibrace). Robota můžete zapnout přepnutím tlačítka 1 v aplikaci. Nyní umístěte robota svisle na zem a pusťte jej, jakmile ucítíte, že se motory zapínají. V tu chvíli začne robot sám vyvažovat.

Robot je nyní připraven k vyladění, protože jeho stabilita pravděpodobně není velká. Můžete zkusit, jestli to funguje bez dalšího ladění, ale musíte robota udělat docela identického s tím naším, aby fungoval správně. Ve většině případů byste tedy měli ovladač naladit tak, aby co nejlépe fungoval s vaším robotem. Je to docela snadné, přestože je to časově náročné. Postupujte takto:

Ladění ovladače

Někde v kódu najdete 4 proměnné, počínaje k. Jedná se o kp, kd, kc a kv. Začněte nastavením všech hodnot na nulu. První nastavená hodnota je kp. Výchozí hodnota kp je 0,17. Zkuste jej nastavit na něco mnohem nižšího, například 0,05. Vypněte robota, nahrajte kód a uvidíte, jak se snaží vyvážit. Pokud klesne dopředu, zvyšte hodnotu. Nejchytřejší způsob, jak toho dosáhnout, je interpolace:

1. Nastavte hodnotu na něco nízkého a vyzkoušejte to
2. Nastavte hodnotu na něco vysokého a vyzkoušejte to
3. Nastavte hodnotu na průměr těchto dvou a vyzkoušejte to
4. Nyní zkuste zjistit, zda lépe vyvažuje nízkou nebo vysokou hodnotu a průměruje aktuální hodnotu a hodnotu, při které lépe fungovala.
5. Pokračujte, dokud nenajdete sladké místo

Sladké místo pro hodnotu kp je, když je na okraji nedostatečné a nadměrné kompenzace. Někdy tedy spadne dopředu, protože nedokáže držet krok s rychlostí pádu, a jindy spadne dozadu, protože překročí jiný směr.

Jakmile nastavíte hodnotu kp, nastavte kd. To lze provést stejným způsobem jako u kp. Zvyšte tuto hodnotu, dokud nebude robot téměř vyvážený, takže se bude houpat tam a zpět, dokud nespadne. Pokud ji nastavíte příliš vysoko, můžete ji vyvážit již pěkně úhledně, ale když je rovnováha příliš narušena, převrhne se (jako když na ni zatlačíte). Zkuste tedy najít místo, na kterém není úplně vyvážené, ale docela blízko.

Jak asi uhodnete, vyladění ovladače může trvat několik pokusů, protože s každou novou zavedenou proměnnou je to stále obtížnější. Pokud si tedy myslíte, že to nepůjde, začněte znovu.

Nyní je čas nastavit kv. Interpolujte to, dokud nenajdete hodnotu, při které se robot přestane houpat, zůstane vyvážený a zvládne lehké zatlačení. Pokud je nastaven příliš vysoko, negativně ovlivňuje stabilitu. Zkuste si pohrát s kv a kp, abyste našli bod, ve kterém je nejstabilnější. Toto je časově nejnáročnější krok ladění.

Poslední hodnota je kc. Tato hodnota způsobí, že se robot vrátí do své poslední polohy po kompenzaci tlačení nebo něčeho jiného. Můžete zde zkusit stejnou metodu interpolace, ale 0,0002 by ve většině případů mělo fungovat docela dobře.

A je to! Váš robot je nyní připraven. K ovládání robota použijte joystick na vašem smartphonu. Dejte si však pozor, protože vpřed při maximální rychlosti může stále dojít k pádu robota. Hrajte si s proměnnými ovladače, abyste to co nejvíce kompenzovali. Nejlogičtějším krokem by bylo podívat se na hodnotu kp, protože to přímo kompenzuje aktuální úhel robota.

Důležitá poznámka k bateriím LiPo

Doporučujeme pravidelně kontrolovat napětí baterie LiPo. Baterie LiPo by neměly být vybíjeny na méně než 3 volty na článek-měření 9 voltů na 3S LiPo. Pokud napětí klesne pod 3 volty na článek, dojde k trvalé ztrátě kapacity baterie. Pokud napětí klesne pod 2,5 V na článek, zlikvidujte baterii a kupte si novou. Nabíjení LiPo článku s méně než 2,5 V je nebezpečné, protože vnitřní odpor je velmi vysoký, což má za následek horkou baterii a potenciální nebezpečí požáru při nabíjení.