Samovyvažovací robot: 6 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

V tomto návode vám ukážeme, ako postaviť samovyvažovací robot, ktorý sme vyrobili ako školský projekt. Je založený na niektorých ďalších robotoch, ako je nBot a ďalší Instructable. Robota je možné ovládať zo smartfónu s Androidom prostredníctvom pripojenia Bluetooth. Pretože tento návod pokrýva iba proces stavby, spísali sme aj dokument, ktorý pokrýva technické pozadie kódu a elektroniky. Obsahuje tiež odkazy na použité zdroje, takže si ich môžete prezrieť, ak pre vás dokument nie je dostatočne komplexný.

Na splnenie všetkých krokov tohto projektu budete potrebovať znalosti 3D tlače alebo iný šikovný spôsob pripevnenia kolies k motorom.

Krok 1: Požiadavky

Robot je založený na bezkartáčovej doske kardanového ovládača Martinez. Existujú určité mierne variácie tejto dosky, ale pokiaľ ju máte s čipom ATmega328 a ovládačmi motora L6234, mali by ste byť v poriadku. Ak v službe Obrázky Google hľadáte výraz „doska Martinez“, uvidíte, že namiesto záhlaví alebo otvorov v kolíkoch existuje niekoľko dosiek s jednoduchým konektorom pre čip a/alebo batériu IMU. V poslednom prípade vám príde vhod, ak si objednáte balíček kolíkov, ktoré potom môžete spájkovať do otvorov.

Partlist

Niektoré položky v tomto zozname obsahujú odkazy na webové obchody.

• Ovládač: Martinez BoardDX.com (dodáva sa aj s IMU a niekoľkými kolíkovými hlavičkami).
• IMU: MPU6050
• Batéria (450 mAh 3S batéria LiPo) Poznámka: Budete potrebovať aj 3S nabíjačku LiPo eBay.com
• 2x Motor: Bezkartáčový motor 2208, KV100DX.com
• Kolesá (môžete ich získať z existujúcich hračiek alebo LEGO)
• 6x skrutka M2 5 mm
• 8x skrutka M3 (dĺžka závisí od materiálu pre váš exteriér, jedna musí byť extra dlhá)
• Čip Bluetooth HC-05 (uistite sa, že získate iba pripojenú dosku sériového rozhrania, nielen čistý čip) DÔLEŽITÉ: Uistite sa, že čip má kolík označený KEY.
• Drôty: Žena - žena DuPont Kúpa balenia 20 drôtov bude viac než dosť
• Páska na suchý zips
• USB kábel na pripojenie ovládača k počítaču
• Voliteľné: Hlavičky pinsDX.com (môžete ich skrátiť alebo zlomiť na požadovanú dĺžku)
• Plastové podložky a rozpery

Nakoniec budete potrebovať nejaký akryl, drevo alebo lepenku sprevádzané lepidlom alebo páskou-na vytvorenie štruktúry, ktorá pojme všetky súčasti.

Krok 2: Konfigurácia čipu Bluetooth

Keď uchopíte všetky diely, je čas na konfiguráciu čipu Bluetooth. Na komunikáciu s doskami budete potrebovať kábel USB na pripojenie dosky ovládača k počítaču a Arduino IDE.

Na to budete musieť stiahnuť súbor:

HC-05_Serial_Interface.ino

Potom postupujte podľa týchto krokov:

1. Pripojte ovládač k počítaču pomocou kábla USB.
2. Otvorte súbor.ino pomocou Arduino IDE.
3. V IDE prejdite na Nástroje, Doska a uistite sa, že je nastavený na Arduino/Genuino Uno.
4. Teraz prejdite na Nástroje, Port a nastavte ho na port COM, ku ktorému je pripojený ovládač. Obvykle existuje iba jeden port. Ak ich je viac, v Správcovi zariadení (vo Windows) zistíte, ktorý je ovládač.
5. Teraz kliknite na tlačidlo Nahrať v IDE a počkajte, kým sa nahrávanie dokončí. Potom odpojte kábel USB od počítača alebo ovládača.

Potom, čo ste to urobili, pripojte HC-05 pomocou káblov DuPont nasledovne:

Ovládač HC-05

KĽÚČ +5V GND GND TXD RX RXD TX

Teraz znova zapojte kábel USB a potom pripojte kolík VCC HC-05 k ďalšiemu +5 V na ovládači. LED dióda by mala blikať v intervale ~ 1 s.

V Arduino IDE vyberte správny port COM a potom prejdite na Nástroje, Sériový monitor.

Nastavte možnosť Koniec čiary v sériovom monitore na NL aj CR. Nastavte prenosovú rýchlosť na 38 400. Teraz môžete použiť sériový monitor na odosielanie príkazov nastavenia na čip Bluetooth. Toto sú príkazy:

AT Skontrolujte pripojenie

AT+NAME Získať/nastaviť zobrazovaný názov Bluetooth AT+UART Získať/nastaviť prenosovú rýchlosť AT+ORGL Obnoviť predvolené výrobné nastavenia AT+PSWD Získať/nastaviť heslo Bluetooth

Ak chcete zmeniť názov, heslo a prenosovú rýchlosť zariadenia Bluetooth, pošlite nasledujúce príkazy:

AT+NAME = "Príklad názvu"

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

Možnosti Meno a Heslo je možné nastaviť na čokoľvek, čo chcete, nezabudnite však nastaviť prenosovú rýchlosť pomocou rovnakého príkazu, ako je uvedené vyššie. Tým sa nastaví na 230 400 baudov, s 1 stop bitom a bez parity. Po nastavení všetkého znova pripojte kábel USB (aby ste opustili režim nastavenia) a skúste spárovať telefón s čipom. Ak všetko funguje, odpojte kábel USB a prejdite na ďalší krok.

Krok 3: Pripojenie kolies k motorom

Kolesá, ktoré boli použité v tomto projekte, majú neznámy pôvod (ležali v zásuvke s množstvom ďalších vecí). Aby sme mohli kolesá pripevniť k motorom, vytlačili sme 3D kus, ktorý zodpovedal otvorom pre skrutky na motoroch. Kusy boli priskrutkované pomocou troch 5-milimetrových 2M skrutiek na motor. Oba kusy majú čap, ktorý zapadá do otvorov v osiach kolies.

Súčasťou je model SolidWorks. Pravdepodobne ho budete musieť upraviť pre svoje kolesá alebo nájsť iné praktické riešenie, ako kolesá namontovať. Môžete napríklad použiť Dremel na vyrezanie otvoru rovnakej veľkosti ako motor (alebo o niečo menší, aby dobre priliehal), potom môžete motor zatlačiť do kolesa. Ak to plánujete, uistite sa, že pre túto prácu získate vhodné kolesá.

Krok 4: Vytvorenie exteriéru

Na exteriér boli použité dva kusy dreva, ktoré boli narúbané do rovnakého tvaru. Na začiatok sme v spodnej časti dielu označili obvod motora. Potom sme označili každý roh 45 stupňovou čiarou, pričom dbáme na to, aby ponechal dostatok priestoru pre motor, aby mohol sedieť v strede dole. Potom sme spojili dva kusy dreva k sebe a odpílili rohy. Aby sme veci dokončili, prebrúsili sme rohy, aby boli menej ostré, a odstránili triesky.

Teraz je načase vyvŕtať otvory pre skrutky a os, ktorá vyčnieva zo chrbta motora. Ak pri vŕtaní upnete kusy dreva k sebe, každú dieru musíte vyvŕtať iba raz.

Na vytvorenie rozloženia pre otvory pre skrutky sme použili kus papiera, ktorý sme umiestnili na zadnú stranu motora a ceruzkou sme zatlačili do otvorov pre skrutky, priamo cez papier. Kus papiera so štyrmi otvormi pre skrutky bol potom položený na drevo, aby sme mohli označiť miesto dier, ktoré sa majú vyvŕtať. Na vyvŕtanie otvorov použite vrták 3,5 mm. Teraz pomocou ceruzky a pravítka nájdite stred týchto otvorov a pomocou vŕtačky 5 mm vytvorte otvor pre os. Motory pripevnite skrutkami M3, ale jednu z skrutiek so širšími vzdialenosťami ponechajte mimo jedného motora.

Aby sme dostali konektor motora a vodič do vnútra robota, vyvŕtali sme tiež 8 mm otvor kúsok nad motor. Uistite sa, že je dostatok miesta na ohnutie drôtov, bez toho, aby ste ich príliš namáhali.

Je dôležité pracovať čo najpresnejšie, aby ste vytvorili (takmer) dokonalý symetrický exteriér

Krok 5: Inštalácia komponentov

Označte na dreve zvislú vodiacu os, aby ste mohli komponenty umiestniť do stredu. Na drevo môžete všetko pripevniť pomocou pásky na suchý zips. V našom robote sme na zaistenie dosky ovládača použili malé skrutky a matice, ale môžete použiť aj pásku na suchý zips (v čase pripevnenia ovládača sme ju ešte nemali). Po dokončení stavby sa uistite, že môžete zapojiť kábel USB.

Ovládač sme umiestnili do stredu tak, aby port USB smeroval nadol, aby sme mohli kábel zapojiť medzi kolesá. Môžete ho tiež nasmerovať na jednu zo strán.

Batériu umiestnite čo najvyššie, aby bol robot ťažký. Nabíjací port umiestnite aj na ľahko dostupné miesto blízko okraja.

Bluetooth čip

Pripojte pin VCC čipu Bluetooth k +5V na ovládači a Bluetooth GND k GND ovládača. Kolík TXD ovládača smeruje k konektoru Bluetooth RX a kolík RXD na ovládači smeruje k kolíku Bluetooth TX. Potom už len prilepte čip Bluetooth niekde na drevený panel pomocou pásky na suchý zips.

Pohybový čip

Pohybový čip má dva otvory pre skrutky, takže sme čip pripevnili pomocou rozpery tak, aby stred čipu prepadal nad stred motora. Na orientácii nezáleží, pretože robot sa pri zavádzaní sám kalibruje. Pod hlavou skrutky určite použite plastovú podložku, aby ste predišli skratu v obvode.

Potom pomocou vodičov DuPont pripojte kolíky k ovládaču. Každý kolík je na ovládači označený rovnako ako na pohybovom čipe, takže jeho zapojenie je dosť jasné.

Vypínač

Pripojenie vypínača je jednoduché. Vzali sme jedno zo starého zariadenia a odpájali sme ho z dosky plošných spojov. Aby ste ho mohli použiť ako vypínač pre robota, zapojte kladný vodič batérie na kolík (za predpokladu, že ide o trojpólový spínač) na strane, na ktorej chcete prepnúť vypínač do zapnutej polohy. Potom pripojte stredový kolík k kladnému príkonu ovládača. K prepínaču sme spájkovali vodiče DuPont, aby samotná batéria nebola k prepínaču trvalo pripevnená.

Spojenie bokov

Teraz poznáte umiestnenie komponentov a máte dve strany robota. Posledným krokom pri konštrukcii robota bude vzájomné prepojenie oboch strán. použili sme štyri sady troch kusov dreva zlepené dohromady a priskrutkovali ich k bokom tak, aby bol náš pohybový čip na strednej osi robota. Malo by sa povedať, že na použitom materiáli, za predpokladu, že je dostatočne pevný, príliš nezáleží. Môžete dokonca použiť ťažšie spojenie na vrchu, aby ste ešte viac zvýšili výšku ťažiska. Ale na rozdiel od zvislej polohy ťažiska by mala byť vodorovná poloha ťažiska držaná na mieste čo najviac nad osou kolesa, pretože kódovanie pohybového čipu by bolo dosť ťažké, keby bol vodorovný stred hromadne vysídlených.

Teraz ste pripravení nahrať kód a vyladiť ovládač.

Krok 6: Nahranie a vyladenie kódu

Na nahranie kódu potrebujete počítač s Arduino IDE. Stiahnite si nižšie uvedený súbor.ino a otvorte ho pomocou Arduino IDE. Odovzdanie do ovládača sa vykonáva rovnakým spôsobom ako pri kóde z nastavenia Bluetooth.

Aby robot fungoval, musíte si z Obchodu Play stiahnuť aplikáciu „Joystick bluetooth Commander“. Zapnite napájanie robota a umiestnite ho na podlahu, buď na prednú alebo zadnú stranu. Spustite aplikáciu a pripojte sa k čipu Bluetooth. Dátové pole 1 prejde z XXX do READY, akonáhle sa robot sám nakalibroval (5 sekúnd na umiestnenie na bok, po ktorom nasleduje 10 sekúnd kalibrácie). Robota môžete zapnúť prepnutím tlačidla 1 v aplikácii. Teraz umiestnite robota vertikálne na zem a pustite ho, akonáhle ucítite, ako sa motory zapínajú. Vtedy robot začne sám vyvažovať.

Robot je teraz pripravený na vyladenie, pretože jeho stabilita pravdepodobne nie je veľká. Môžete skúsiť, či to funguje bez dodatočného ladenia, ale aby robot fungoval správne, musíte ho urobiť celkom identickým s naším. Vo väčšine prípadov by ste teda mali ovládač naladiť tak, aby s vašim robotom fungoval najlepšie. Je to celkom jednoduché, napriek tomu, že je to časovo veľmi náročné. Postupujte takto:

Ladenie ovládača

Niekde v kóde nájdete 4 premenné, začínajúc k. Ide o kp, kd, kc a kv. Začnite nastavením všetkých hodnôt na nulu. Prvá nastavená hodnota je kp. Predvolená hodnota kp je 0,17. Skúste ho nastaviť na niečo oveľa nižšie, napríklad 0,05. Vypnite robota, nahrajte kód a uvidíte, ako sa pokúša vyvážiť. Ak klesne dopredu, zvýšte hodnotu. Najrozumnejší spôsob, ako to dosiahnuť, je interpolácia:

1. Nastavte hodnotu na niečo nízke a vyskúšajte to
2. Nastavte hodnotu na niečo vysoké a vyskúšajte to
3. Nastavte hodnotu na priemer týchto dvoch a vyskúšajte to
4. Skúste teraz zistiť, či sa lepšie vyrovnáva s nízkou alebo vysokou hodnotou a spriemeruje súčasnú hodnotu a hodnotu, pri ktorej lepšie fungovala.
5. Pokračujte, kým nenájdete sladké miesto

Sladké miesto pre hodnotu kp je, keď je na okraji pod- a nadmernej kompenzácie. Niekedy teda spadne dopredu, pretože nedokáže udržať rýchlosť pádu, a inokedy spadne dozadu, pretože prekročí iný smer.

Potom, čo ste nastavili hodnotu kp, nastavte kd. To sa dá urobiť rovnakým spôsobom ako pri kp. Túto hodnotu zvyšujte, kým nebude robot takmer vyrovnaný, aby sa mohol hojdať tam a späť, kým sa neprevrhne. Ak ho nastavíte príliš vysoko, už ho dokážete pekne pekne vyvážiť, ale keď je rovnováha príliš narušená, prevrhne sa (ako keď na ňu zatlačíte). Skúste teda nájsť miesto, na ktorom nie je celkom vyvážené, ale celkom blízko.

Ako asi tušíte, vyladenie ovládača môže trvať niekoľko pokusov, pretože s každou novou zavedenou premennou je to čoraz ťažšie. Ak si teda myslíte, že to nebude fungovať, začnite odznova.

Teraz je čas nastaviť kv. Interpolujte to, kým nenájdete hodnotu, pri ktorej sa robot prestane hojdať, zostane vyvážený a zvládne ľahké zatlačenie. Keď je nastavený príliš vysoko, má negatívny vplyv na stabilitu. Skúste sa pohrať s kv a kp, aby ste našli bod, v ktorom je najstabilnejší. Toto je časovo najnáročnejší krok ladenia.

Posledná hodnota je kc. Vďaka tejto hodnote sa robot vráti do svojej poslednej polohy po kompenzácii stlačenia alebo niečoho iného. Môžete tu skúsiť rovnakú metódu interpolácie, ale 0,0002 by vo väčšine prípadov malo fungovať celkom dobre.

To je všetko! Váš robot je teraz pripravený. Na ovládanie robota použite joystick na svojom smartfóne. Dávajte si však pozor, pretože jazda vpred maximálnou rýchlosťou môže robota aj tak prevrhnúť. Hrajte sa s premennými ovládača, aby ste to čo najviac kompenzovali. Najlogickejším krokom by bolo pozrieť sa na hodnotu kp, pretože to priamo kompenzuje aktuálny uhol robota.

Dôležitá poznámka k batériám LiPo

Odporúčame pravidelne kontrolovať napätie batérie LiPo. Batérie LiPo by sa nemali vybíjať na menej ako 3 volty na článok-pri napätí 3S LiPo merajú 9 voltov. Ak napätie klesne pod 3 volty na článok, dôjde k trvalej strate kapacity batérie. Ak napätie klesne pod 2,5 V na článok, zlikvidujte batériu a kúpte si novú. Nabíjanie článku LiPo s napätím menším ako 2,5 V je nebezpečné, pretože vnútorný odpor je veľmi vysoký, čo má za následok horúcu batériu a potenciálne nebezpečenstvo požiaru pri nabíjaní.