HeadBot-samovyrovnávací robot na učenie a dosah STEM: 7 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Headbot-dvojmetrový vysoký samovyvažovací robot-je myšlienkou tímu South Eugene Robotics Team (SERT, FRC 2521), konkurencieschopného stredoškolského robotického tímu v FIRST Robotics Competition, z Eugene, Oregon. Tento obľúbený terénny robot sa pravidelne objavuje v školách a na komunitných podujatiach, kde priťahuje davy dospelých i detí. Pretože je robot odolný a ľahko sa ovláda pomocou telefónu alebo tabletu Android, môžu ho úspešne ovládať už deti od troch rokov. A pretože robot môže obliecť najrozmanitejšie klobúky, masky a ďalšie kostýmy, je to zábavný doplnok takmer každého zhromaždenia. Členovia SERT používajú robota na nábor nových členov tímu a na vzbudenie všeobecného záujmu o STEM v komunite.

Celkové náklady na projekt sú približne 200 dolárov (za predpokladu, že máte 3D tlačiareň a zariadenie s Androidom), aj keď to môže byť oholené na menej ako 100 dolárov, ak máte dobre zásobený obchod s elektronikou so snadným prístupom k spájkovacím, zmršťovacím hadičkám, prepojovacie vodiče, odpory, kondenzátory, batérie a kábel micro USB. Ak už máte nejaké skúsenosti s elektronikou, stavebníctvo ide dopredu a poskytuje skvelú príležitosť pre tých, ktorí sa chcú učiť. Pre tých, ktorí sa konkrétne zaujímajú o robotiku, Headbot tiež ponúka dobrú platformu pre rozvoj zručností v oblasti proporcionálne-integrálno-derivátového (PID) ladenia pre kontrolu spätnej väzby.

Zásoby

Uvedomte si, že nižšie uvedený zoznam dielov uvádza počet potrebných dielov každého druhu, nie počet balení. Niektoré odkazy odkazujú na stránky, na ktorých je možné kúpiť viacero dielov ako balík (čo prináša určité úspory nákladov) - dbajte na to, aby ste si kúpili počet balíkov potrebných na získanie príslušného počtu dielov.

Elektronické komponenty

• 1x Mikrokontrolér ESP32
• 2x krokové motory
• 2x Ovládače krokových motorov A4988
• 1x gyroskop/akcelerometer MPU-6050
• 1 x 100uF kondenzátor
• 1x UBEC (univerzálny obvod na elimináciu batérie)
• 1 x rozdeľovač napätia (1 x 10 kohm a 1 x 26,7 kohm odpor)
• 2x 5mm LED diódy so spoločnou anódou RGB
• Rezistory 6 x 220 ohmov
• Prepojovacie vodiče (muž-muž a žena-žena)
• Elektrický drôt
• 3x konektor JST SM konektor
• 2x puzdro na 4 batérie
• Zmršťovacia
• Spájka

Hardvér

• 1x 3D tlačené puzdro, kryt a elektrická doska (pozri pokyny nižšie)
• 2x 5 "presné kotúčové disky
• 2x 0,770 "náboje kolies s vŕtaním 5 mm
• 8x nabíjateľné AA batérie a nabíjačka
• 1x polystyrénová hlava
• 1x 2,5 "kus 3/4" PVC rúrky (na pripevnenie hlavy)
• 8x poistné podložky M3 (na montáž motorov)
• 8 x skrutky M3 x 8 mm (na montáž motorov)
• 8 x 6-32 x 3/8 "skrutky (na montáž kolies na náboje)
• 2x zipsy
• Kanálová alebo Gaffova páska
• 2x tuhé kovové tyče alebo pevné drôty (napr. Nastrihané z vešiakov) 12”dlhý

Odporúčané nástroje

• Odizolovač drôtu
• Drôtová rezačka
• Spájkovačka
• Tepelná pištoľ
• Elektrická vŕtačka
• Rýčový bit 1 "x 16"
• Sada šesťhranných kľúčov
• Horúca lepiaca pištoľ
• Kábel Micro USB s uhlovou zástrčkou

Krok 1: 3D vytlačte kryt, kryt a dosku elektroniky

3D tlač krytu, krytu a dosky elektroniky. Tu si stiahnite súbory stl. Časti by mali byť vytlačené pomocou PLA s rozlíšením 0,25 mm a 20% výplňou, bez potreby pltí alebo podpier.

Krok 2: Pridajte do puzdra motory, kolesá a pásku

Motory: Krokové motory umiestnite do spodnej časti skrine (pričom drôty vychádzajú z hornej časti motorov) a zaistite ich pomocou skrutiek M3 x 8 mm a podložiek poistnej matice M3 pomocou vhodného šesťhranného kľúča alebo skrutkovača. Umiestnite náboje kolies na nápravy a zaistite utiahnutím nastavovacích skrutiek na plochú časť nápravy.

Kolesá: Natiahnite gumové krúžky okolo vonkajšej strany disku kolesa. Pripojte kolesá k nábojom kolies pomocou skrutiek 6-32x3/8”. (Kolesá môžu tesne priliehať k náboju. Ak je to tak, umiestnite ich tak dobre, ako je to len možné, potom pomaly skrutky po troche utiahnite, prechádzajte od skrutky k skrutke a opakujte, aby skrutky mohli potiahnuť koleso na svoje miesto.)

Pripravte si uzáver a PVC rúrku: Na hornú časť krytu naneste lepiacu alebo lepiacu pásku, aby sa viečko nasunulo tak, aby tesne priliehalo. Na jeden koniec 2,5”kusa ¾” PVC rúrky prilepte pásku tak, aby pevne a pevne dosadla do otvoru v uzávere. V prípade potreby je možné na druhý koniec PVC pridať aj pásku, aby sa zaistilo priliehavé zapadnutie do otvoru v spodnej časti hlavy.

Krok 3: Pripravte elektronickú dosku

Naneste pásku na dosku elektroniky: Na bočné strany dosky elektroniky pridajte lepiacu alebo lepiacu pásku, aby sa tesne zasunula do koľajničiek na vnútornej strane puzdra.

Gyroskop/akcelerometer MPU-6050: Pripájajte kolíky k gyroskopu/akcelerometru MPU-6050 tak, aby dlhá strana kolíkov bola na rovnakej strane obvodovej dosky ako čipy. Použite dostatočné množstvo horúceho lepidla na zaistenie MPU k malej poličke vyčnievajúcej zo spodnej časti dosky s elektrónmi tak, aby kolíky boli vľavo od dosky, keď stojíte tvárou k polici.

Ovládač krokového motora A4988: Malým skrutkovačom otáčajte malým potenciometrom obmedzujúcim prúd na každom ovládači krokového motora A4988 v smere hodinových ručičiek až na doraz. Odlepte papier z pásky na chladičoch pre ovládače motora a priložte ich na čipy v strede dosky s plošnými spojmi. Použite dostatočné množstvo horúceho lepidla na zaistenie ovládačov motora (potenciometrami smerom hore) k boku dosky s elektronikou oproti polici s MPU tak, aby kolíky vyčnievali cez dva páry zvislých štrbín v hornej časti dosky s elektronikou (dávajte pozor, aby sa vám na čapy nedostalo lepidlo, ktoré by malo vyčnievať na rovnakú stranu ako MPU). Prevlečte pútko na zips cez malé otvory nad každým vodičom motora, aby ste ho ďalej zaistili na svojom mieste.

Mikrokontrolér ESP32: Vložte kábel micro USB do konektora na mikrokontroléri ESP32 (ten bude slúžiť na držanie konca dosky s plošnými spojmi v malej vzdialenosti od dosky s elektronikou, aby bol prístup k zástrčke zaistený po inštalácii ESP32. prilepené na mieste). Umiestnite ESP32 so zástrčkou vpravo, tvárou v tvár čipovej strane, a pomocou dostatočného množstva lepidla ho pripevnite na dosku plošných spojov tak, aby kolíky vyčnievali cez horizontálne štrbiny v strede dosky na stranu s MPU (vezmite dávajte pozor, aby sa vám na kolíky alebo kábel USB neprilepilo lepidlo). Po vytvrdnutí lepidla vyberte kábel USB.

Krok 4: Elektronické obvody

Všeobecné pokyny: Podľa schémy zapojenia (verziu s vysokým rozlíšením si stiahnite nižšie vo formáte pdf) vytvorte káblové zväzky potrebné na pripojenie elektronických komponentov. Pripojenie medzi dvoma kolíkmi je možné vykonať priamo pomocou prepojovacích káblov s jednou zásuvkou a zásuvkou. Pripojenie medzi 3 alebo viacerými kolíkmi je možné vykonať pomocou nižšie popísaných zložitejších káblových zväzkov. Postroje je možné vytvoriť tak, že sa prepojky prepoja medzi ženami a ženami na polovicu a potom sa podľa potreby spájkujú s inými komponentmi (odpory, kondenzátor, zástrčky, krátke vodiče). Vo všetkých prípadoch na izoláciu spájkovacieho spoja použite zmršťovaciu hadičku.

Batérie: Zaistite, aby sa sady batérií mohli zasunúť do otvorov v spodnej časti puzdra s 3D tlačou. Ak sa nezmestia, pomocou pilníka ich vytvarujte, kým sa nezmestia. Pripojte káble k dvom zástrčkám konektora JST SM (ponechajte asi palec) a jeden spájkujte k vodičom z každej batérie.

Hlavný napájací zväzok: Hlavný napájací zväzok prijíma vstup z dvoch zástrčkových konektorov JST SM s tým, že + vodič z jednej zástrčky sa pripája k - zástrčke z druhého, aby sa prepojili dve sady batérií v sérii (výsledkom je kombinovaný vstup 12 V). Ostatné vodiče sú spojené cez kondenzátor 100 uF (na vyrovnanie špičiek napätia; kratšia noha tohto kondenzátora sa pripája na kábel -, zatiaľ čo dlhšia noha sa pripája na vodič +12 V) a delič napätia tvorený odporom 10 kohm (pripojený k - vodiču) a odporu 26,7 kohm (pripojený k vodiču +12 V), so ženskou prepojkou medzi odpormi, ktorá bude pripájať SVP na ESP32 (to poskytuje zmenšený vstup s max. 3,3 V, ktorý sa používa na odčítajte zostávajúce napätie v batériách). Dodatočné ženské prepojky poskytujú +12 V (2 prepojky) a - vstupy (2 prepojky) na piny VMOT a susedné piny GND na krokových budičoch. Univerzálna eliminácia batérie (UBEC) je navyše spájkovaná na +12 V a-vodiče hlavného napájacieho zväzku (vstup do UBEC je na strane sudovitého kondenzátora), pričom na výstupy +5 V a-sú spájkované UBEC k zásuvke JST SM.

Vstup 5v na ESP32: Pripojte zástrčku zástrčky konektora JST SM k dvom zástrčkám samice, aby ste poskytli vstupy na vstupy 5v a GND do ESP32 z UBEC (táto zástrčka umožňuje ľahké odpojenie, keď je ESP32 napájaný z vstup micro USB, keď sa kód načítava do mikrokontroléra).

Napájací zväzok 3,3 V: Spájkujte 7 ženských prepojok na pripojenie kolíka 3,3 V na ESP32 k kolíku VCC na MPU, kolíkov VDD a MS1 na každom z ovládačov krokových motorov a k mužskej prepojke poskytujúcej napájanie očí LED. (čo umožňuje ľahké odpojenie napájania očí, keď je ESP32 napájaný z micro USB počas načítania kódu).

Uzemnenie: Pripojte 3 samice prepojok na pripojenie kolíka GND na ESP32 k pinom GND (vedľa kolíka VDD) na každom z ovládačov krokových motorov.

Zapínanie krokového zapínania: Spájkujte 3 samice prepojok na pripojenie kolíka P23 na ESP32 k pinom ENABLE na každom z ovládačov krokových motorov.

Jednoduché prepojovacie konektory: Jednoduché prepojky sa používajú na vykonanie nasledujúcich spojení:

• GND na ESP32 až GND na MPU
• P21 na ESP32 až SCL na MPU
• P22 na ESP32 až SDA na MPU
• P26 na ESP32 až DIR na ľavom krokovom ovládači
• P25 na ESP32 na KROK na ľavom krokovom ovládači
• Jumper SLEEP a RESET na ľavom krokovom ovládači
• P33 na ESP32 až DIR na pravom krokovom ovládači
• P32 na ESP32 na KROK na pravom krokovom ovládači
• Jumper SLEEP a RESET na pravom krokovom ovládači

Pripojte UBEC: Samičiu zástrčku JST SM na výstupe UBEC je možné zapojiť do zodpovedajúcej zástrčky, ktorá napája a uzemňuje vstupy 5 V a GND na ESP32. Táto zástrčka by však mala byť odpojená, keď je ESP32 napájaný z mikro USB (napr. Pri načítaní kódu), inak spätný prúd z ESP32 do hlavného zväzku napájania naruší správne fungovanie ESP32.

Inštalácia dosky elektroniky: Zasuňte dosku elektroniky do koľajničiek na vnútornej strane krytu.

Pripojte káble motora: Pripojte vodiče z ľavého motora k ľavému krokovému meniču, pričom modrý, červený, zelený a čierny vodič sa pripájajú na kolíky 1B, 1A, 2A a 2B. Pripojte vodiče z pravého motora k pravému krokovému meniču s modrým, červeným, zeleným a čiernym vodičom, ktoré sa pripájajú na kolíky 2B, 2A, 1A a 1B (motory sú zapojené zrkadlovo, pretože majú opačná orientácia). Zastrčte prebytočné káble motora do spodnej časti krytu.

Pripojenie akumulátorov: Zasuňte akumulátory do vreciek v puzdre a zapojte ich zástrčky konektora JST SM do zodpovedajúcich zástrčiek na vstupe do hlavného zväzku napájania (vodiče z predného bloku akumulátorov je možné previesť cez otvor v strede dosky elektroniky, aby ste získali prístup k zástrčke v zadnej časti). Batérie je možné odpojiť, aby bolo možné ľahko vložiť nové batérie. Prepnutím vypínača napájania na oboch batériách do polohy vypnuté sa odpojí napájanie obvodu (pretože sú série zapojené do série) - aby bol obvod napájaný, musia byť zapnuté vypínače na zadných stranách.

Krok 5: Pripravte si hlavu a oči

Predĺžte otvor v spodnej časti hlavy: 1 -palcovým rýľovacím vrtákom zväčšite hĺbku otvoru v spodnej časti hlavy tak, aby končil nad výškou očí (je vhodné vložiť malý kúsok pásky na vhodnom mieste na hriadeli bitu, aby sa indikovalo, kedy sa dosiahla príslušná hĺbka). Pred vŕtaním zatlačte bit 2-3 palcov do otvoru, aby ste nepoškodili otvor otvoru (budete chcieť pevne priliehať na rúrku z PVC, ktorá ho zaistí k uzáveru plášťa). Uložte časť väčších kúskov polystyrénu, aby ste si neskôr doplnili oči.

Vytvorte háčiky na tlačenie/ťahanie drôtov: Na jednom konci tuhej kovovej tyče ohnite malý tvar N (ten sa použije na zasunutie drôtov na napájanie očí LED cez hlavu polystyrénu). Na konci druhej tuhej kovovej tyče ohnite malý háčik (ten bude slúžiť na vylovenie drôtu z otvoru v spodnej časti hlavy).

Spustite drôty: Na konci červených, žltých, zelených a modrých drôtov uviažte veľké slučky pomocou tesných uzlov. Pri práci s jedným drôtom naraz zaveste očko na koniec háčika v tvare N a zatlačte ho cez ucho hlavy, pričom dráha bude vodorovná a bude smerovať k otvoru v strede hlavy. Keď je drôt zatlačený do otvoru, pomocou háčikovej tyče uchopte očko zo spodnej časti hlavy a vytiahnite ho z otvoru, pričom vytiahnite aj druhý prút z oka (ponechajte 2-3 palce drôtu na spodnej časti hlavy a visiace z oka). Zopakujte postup s ostatnými tromi farebnými drôtmi, pričom postupujte od oka k stredovému otvoru (pomocou označeného zipsu pripevnite tieto drôty k sebe a označte, ktoré oko ovládajú). Opakujte s ďalšími 4 drôtmi v druhom oku.

Pripojte LED diódy RGB: Skráťte vodiče na diódach RGB a označte spoločnú anódu (dlhší vodič a poznačte si umiestnenie R (jeden vodič na jednej strane anódy, ako je znázornené na schéme zapojenia)) a Vodiče G a B (dva vodiče na druhej strane anódy). Spájkujte vhodné vodiče, ktoré visia z jedného oka do LED diódy (červená k anóde, žltá k R, zelená k G a modrá k B), izolácia spojov teplom zmrštiteľnou hadičkou. Zatlačte vodiče LED do hlavy, ale nechajte ju trochu vyčnievať, kým sa nebude dať otestovať. Opakujte postup s druhou LED a drôtmi z druhého oka.

Pripojte prepojovacie vodiče: Na každý zo žltých, zelených a modrých drôtov, ktoré vyčnievajú zo spodnej časti hlavy, spájkujte odpor 220 ohmov a prepojovací kábel so zásuvkou. Pripojte dva červené vodiče a spájkujte na prepojku so zástrčkovým konektorom (poznámka: toto je jediný prepojovací kolík potrebný v obvode).

Pripojte prepojky a pripevnite hlavu: Prevlečte prepojky cez PVC rúrku v uzávere a zasuňte PVC do otvoru v hlave a zaistite ho k uzáveru. Pripojte mužský napájací prepojovací kábel k ženskému prepojovaciemu káblu na 3,3 V a ženský prepojovací konektor RGB k ESP32 (žlté, zelené a modré vodiče ľavého oka k P4, P0 a P2, v uvedenom poradí, a žlté, zelené a modré vodiče pravého oka na P12, P14 a P27). Nakoniec pripevnite hlavu/uzáver na hlavný kryt.

Krok 6: Nahrajte kód a nainštalujte Driver Station

Inštalácia kódu HeadBot na ESP32: Stiahnite a nainštalujte si Arduino IDE do počítača. Navštívte stránku https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa a kliknite na tlačidlo „Stiahnuť zip“pod zeleným tlačidlom „Klonovať alebo stiahnuť“. Presuňte priečinok zazipovaný dovnútra kamkoľvek na vašom počítači a premenujte ho na „ursa“

Otvorte web ursa.ino pomocou Arduino IDE. V ponuke Predvoľby v časti „Súbor“pridajte https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json k adresám URL „Ďalšie rady správcov“. Nainštalujte esp32boards spoločnosťou Espressif Systems v časti Nástroje> Správca dosky. V časti Nástroje> Doska vyberte „Modul esp32 dev“. Nainštalujte knižnicu PID od Bretta Beauregarda kliknutím na položku „Spravovať knižnice“v ponuke „Náčrt“.

Pripojte sa k ESP32 pomocou kábla USB-MicroUSB. Vyberte dosku v časti Nástroje. Stlačte a podržte malé tlačidlo s označením „I00“vedľa konektora micro USB na ESP32, potom stlačte tlačidlo nahrávania na Arduino IDE a uvoľnite „I00“, keď Arduino IDE oznámi, že sa „pripája …“. Po dokončení nahrávania je možné kábel MicroUSB odpojiť.

Inštalácia stanice ovládača HeadBot: Stiahnite a nainštalujte si Processing do počítača. Navštívte https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa-ds-prototype a stiahnite si kód. Otvorte "ursaDSproto.pde" pomocou IDE spracovania. Nainštalujte si knižnice Ketai, Game Control Plus a UDP pomocou správcu knižnice Processing (Skica> Importovať knižnicu). Ak vo svojom počítači spustíte pohonnú stanicu, v rozbaľovacej ponuke v pravom hornom rohu okna Spracovanie vyberte položku Java Mode; Ak ho chcete spustiť v systéme Android, nainštalujte si režim spracovania systému Android kliknutím na rozbaľovaciu ponuku „Java“v pravom hornom rohu. Potom pripojte zariadenie, povoľte ladenie USB, zvoľte Režim Android. Pohonnú stanicu spustíte kliknutím na „Spustiť náčrt“. Ak je váš počítač pripojený k zariadeniu so systémom Android, nainštaluje sa naň stanica vodiča.

Krok 7: Spustite HeadBot a nalaďte hodnoty PID

Uvedenie do prevádzky: Uistite sa, že sú batérie pripojené a výstup UBEC je zapojený do vstupného konektora ESP32. Keď Headbot leží na boku v stabilnej polohe, zapnite napájanie posunutím vypínača na oboch batériách do polohy ON (zapnuté) a ponechajte Headbot niekoľko sekúnd v pokoji, kým sa gyroskop inicializuje. Po krátkom oneskorení by ste mali na zariadení, ktoré budete používať na ovládanie robota, vidieť signál Headbot WiFi (SERT_URSA_00) - vyberte ho a zadajte heslo „Headbot“. Po vytvorení pripojenia spustite aplikáciu pohonnej stanice na telefóne/tablete alebo spustite skript pohonnej stanice v časti Spracovanie na počítači. Po spustení programu a vytvorení pripojenia by ste mali vidieť, ako hodnota „výšky“začne reagovať, pričom sa zobrazí náklon Headbota.

Nastavenie hodnôt PID: Aby ste mohli ovládať Headbot, musíte vyladiť hodnoty PID. Pre verziu Headbota popísanú tu. Kliknutím na štvorec v ľavej hornej časti pohonnej stanice sa zobrazia posuvníky na úpravu hodnôt. Tri najlepšie posuvníky slúžia na úpravu uhlov P, I a D (PA, IA a DA) - tieto hodnoty majú zásadný význam pre to, aby si Headbot udržal rovnováhu. Spodné tri posúvače slúžia na nastavenie rýchlosti P, I a D (PS, IS a DS) - tieto hodnoty sú dôležité pre to, aby Headbot mohol správne nastaviť rýchlosť jazdy podľa vstupu joysticku. Dobré počiatočné hodnoty pre túto verziu Headbot sú PA = 0,08, IA = 0,00, DA = 0,035, PS = 0,02, IS = 0,00 a DS = 0,006. Po nastavení týchto hodnôt kliknite na pole „Uložiť nastavenie“v ľavej hornej časti pohonnej stanice (tým sa nastavenia uložia v odolnejšej forme, ktorá prežije aj reštartovanie robota).

Vyskúšanie: Kliknutím na panel zeleného joysticku v pravom hornom rohu pohonnej stanice vyvoláte joystick na ovládanie robota. Postavte sa Headbotom s takmer vyváženou orientáciou a stlačte tmavozelený štvorček Povoliť v pravom hornom rohu (stlačením susedného červeného políčka sa robot deaktivuje). Ak všetko pôjde dobre, budete mať samovyvažujúceho Headbota, ale je viac než pravdepodobné, že budete musieť doladiť hodnoty PID. V porovnaní s P je zvyčajne málo I alebo D, takže začnite tam. Príliš málo a nebude reagovať. Príliš veľa a bude oscilovať tam a späť. Začnite Začnite s hodnotami uhla PID a vykonajte malé zmeny, aby ste zistili, ako sú veci ovplyvnené. Niektorý výraz D pre uhlovú slučku môže pomôcť minimalizovať oscilácie, ale malé množstvo môže rýchlo spôsobiť veľké chvenie, preto používajte striedmo. Ak sú hodnoty uhla správne, Headbot by mal odolávať jemným úderom bez toho, aby spadol. Malé chvenie sa dá očakávať, kým je Headbot vyvážený, pretože krokové motory sa pri každom nastavení pohybujú v polovičných krokoch po 0,9 stupňa.

Akonáhle je rovnováha dosiahnutá, vyskúšajte jazdu malými pohybmi joysticku a malými úpravami hodnôt PID rýchlosti, aby robot reagoval hladko a elegantne. Zvýšenie termínu I môže pomôcť zabrániť tomu, aby sa robot držal nastavenej rýchlosti. Buďte však upozornení-zmeny hodnôt rýchlosti PID si budú vyžadovať ďalšie úpravy hodnôt uhla PID (a naopak), pretože slučky PID interagujú.

Zmeny celkovej hmotnosti a rozloženia hmotnosti Headbot (ako napríklad nosenie okuliarov, masiek, parochní alebo klobúkov) budú vyžadovať ďalšie doladenie hodnôt PID. Ďalej, ak kostýmy príliš vyhadzujú zostatok, možno budete musieť vyladiť počiatočnú hodnotu pitchOffset v kóde ursa.ino a znova načítať kód do ESP32.

Druhý v súťaži o robotiku