Pašbalansējošs robots: 6 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

Šajā pamācībā mēs parādīsim, kā izveidot pašbalansējošu robotu, ko izgatavojām kā skolas projektu. Tā pamatā ir daži citi roboti, piemēram, nBot un cits Instructable. Robotu var vadīt no Android viedtālruņa, izmantojot Bluetooth savienojumu. Tā kā šī pamācība attiecas tikai uz celtniecības procesu, mēs esam uzrakstījuši arī dokumentu, lai aptvertu koda un elektronikas tehnisko pamatojumu. Tajā ir arī saites uz izmantotajiem avotiem, lai jūs varētu tos apskatīt, ja dokuments jums nav pietiekami izsmeļošs.

Lai izpildītu visas šī projekta darbības, jums būs nepieciešamas dažas 3D drukāšanas prasmes vai kāds cits gudrs veids, kā piestiprināt riteņus pie motoriem.

1. darbība. Prasības

Robots ir balstīts uz Martinez suku nesaturošu kardāna kontrollera paneli. Šajā panelī ir dažas nelielas variācijas, taču, kamēr jums ir tāds ar ATmega328 mikroshēmu un L6234 motora kontrolieriem, jums viss būs kārtībā. Ja pakalpojumā Google attēli meklējat “Martinez board”, jūs redzēsit, ka dažos dēļos ir vienkāršs IMU mikroshēmas un/vai akumulatora savienotājs, nevis tapas vai caurumi. Pēdējā gadījumā tas būs noderīgi, ja pasūtīsit iesaiņojumu tapu komplektu, kuru pēc tam varēsiet lodēt caurumos.

Daļu saraksts

Dažos šajā sarakstā iekļautajos vienumos ir saites uz tīmekļa veikaliem.

• Kontrolieris: Martinez BoardDX.com (nāk arī ar IMU un dažām galvenes tapām).
• IMU: MPU6050
• Akumulators (450 mAh 3S LiPo akumulators) Piezīme: jums būs nepieciešams arī 3S LiPo lādētājs eBay.com
• 2x motors: bezsuku motors 2208, KV100DX.com
• Riteņi (tos var iegūt no esošajām rotaļlietām vai LEGO)
• 6x M2 skrūve 5 mm
• 8x M3 skrūve (garums ir atkarīgs no jūsu ārpuses materiāla, tai jābūt īpaši garai)
• Bluetooth mikroshēma HC-05 (noteikti iegādājieties tādu, kurai ir pievienota seriālā interfeisa plate, nevis tikai tukša mikroshēma) SVARĪGI! Pārliecinieties, vai mikroshēmā ir tapa ar uzrakstu KEY.
• Vadi: DuPont no sievietes līdz sievietei Pērkot 20 vadu iepakojumu, būs vairāk nekā pietiekami
• Velcro lente
• USB kabelis, lai savienotu kontrolieri ar datoru
• Neobligāti: galvenes pinsDX.com (jūs varat tos sagriezt vai salauzt vēlamajā garumā)
• Plastmasas paplāksnes un starplikas

Visbeidzot, jums ir nepieciešams akrils, koks vai kartons, kam pievienota līme vai lente, lai izveidotu struktūru, kas satur visus komponentus.

2. darbība: Bluetooth mikroshēmas konfigurēšana

Kad esat ieguvis visas detaļas, ir pienācis laiks konfigurēt Bluetooth mikroshēmu. Jums būs nepieciešams USB kabelis, lai savienotu vadības paneļa savienojumu ar datoru, kā arī Arduino IDE, lai sazinātos ar komponentiem.

Lai to izdarītu, lejupielādējiet failu:

HC-05_Serial_Interface.ino

Pēc tam rīkojieties šādi:

1. Pievienojiet kontrolieri datoram, izmantojot USB kabeli.
2. Atveriet.ino failu ar Arduino IDE.
3. IDE dodieties uz Tools, Board un pārliecinieties, vai tas ir iestatīts uz Arduino/Genuino Uno.
4. Tagad dodieties uz Rīki, ports un iestatiet to uz COM portu, kuram kontrolieris ir pievienots. Parasti ir tikai viens ports. Ja ir vairāki, pārbaudiet ierīču pārvaldnieku (sistēmā Windows), lai uzzinātu, kurš no tiem ir kontrolieris.
5. Tagad nospiediet augšupielādes pogu IDE un gaidiet, līdz augšupielāde tiks pabeigta. Pēc tam atvienojiet USB kabeli no datora vai kontroliera.

Kad esat to izdarījis, pievienojiet HC-05, izmantojot DuPont kabeļus, šādi:

HC-05 kontrolieris

TAUSTIŅA +5V GND GND TXD RX RXD TX

Tagad atkal pievienojiet USB kabeli, pēc tam pievienojiet HC-05 VCC tapu pie cita +5V kontrollera. Gaismas diodei vajadzētu mirgot ar ~ 1 sekundes intervālu.

Arduino IDE atlasiet pareizo COM portu, pēc tam dodieties uz Tools, Serial Monitor.

Sērijas monitorā opciju Line Ending iestatiet uz NL & CR. Iestatiet Baud ātrumu uz 38400. Tagad varat izmantot sērijas monitoru, lai nosūtītu iestatīšanas komandas uz Bluetooth mikroshēmu. Šīs ir komandas:

AT Pārbaudiet savienojumu

AT+NAME Iegūstiet/iestatiet Bluetooth parādāmo nosaukumu AT+UART Iegūstiet/iestatiet datu pārraides ātrumu AT+ORGL Atiestatīt rūpnīcas noklusējuma iestatījumus AT+PSWD Iegūt/iestatīt Bluetooth paroli

Lai mainītu Bluetooth ierīces nosaukumu, paroli un pārraides ātrumu, nosūtiet šādas komandas:

AT+NAME = "Piemēra nosaukums"

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

Opcijas Nosaukums un Parole var iestatīt uz visu, ko vēlaties, vienkārši iestatiet pārraides ātrumu, izmantojot tieši to pašu komandu, kas uzskaitīta iepriekš. Tas nosaka 230400 bodu ar 1 pieturas bitu un bez paritātes. Pēc visu iestatījumu veikšanas atkārtoti pievienojiet USB kabeli (lai izietu no iestatīšanas režīma) un mēģiniet savienot tālruni pārī ar mikroshēmu. Ja viss darbojas, atvienojiet USB kabeli un pārejiet pie nākamās darbības.

3. solis: riteņu piestiprināšana pie motoriem

Šajā projektā izmantotajiem riteņiem ir nezināma izcelsme (tie gulēja atvilktnē ar daudzām citām lietām). Lai riteņus piestiprinātu pie motoriem, mēs 3D izdrukājām gabalu, kas atbilst motoru skrūvju caurumiem. Gabali tika pieskrūvēti, izmantojot trīs 5 mm 2M skrūves vienam motoram. Abiem gabaliem ir tapa, kas atbilst riteņu asu caurumiem.

Komplektā ietilpst SolidWorks modelis. Jums, iespējams, tas būs jāmaina saviem riteņiem vai jāatrod cits praktisks risinājums riteņu uzstādīšanai. Piemēram, jūs varat izmantot Dremel, lai izgrieztu tāda paša izmēra caurumu kā motors (vai mazliet mazāku, lai tas būtu cieši pieguļošs), un tad jūs varat iespiest motoru ritenī. Vienkārši noteikti iegādājieties šim darbam atbilstošus riteņus, ja plānojat to darīt.

4. solis: ārpuses izveide

Ārpusei tika izmantoti divi koka gabali un sagriezti tādā pašā formā. Lai sāktu, mēs atzīmējām motora aploci gabala apakšējā centrā. Pēc tam mēs atzīmējām katru stūri ar 45 grādu līniju, pārliecinoties, ka atstājat pietiekami daudz vietas, lai motors varētu sēdēt apakšējā centrā. Pēc tam mēs saspiežam abus koka gabalus kopā un zāģējam stūrus. Lai pabeigtu lietas, mēs slīpējām stūrus, lai tie būtu mazāk asi un noņemtu šķembas.

Tagad ir pienācis laiks urbt caurumus skrūvēm un asij, kas izliekas no motora aizmugures. Ja jūs urbšanas laikā saspiežat koka gabalus, katrs caurums ir jāizurbj tikai vienu reizi.

Lai izveidotu skrūvju caurumu izkārtojumu, mēs izmantojām papīra lapu un novietojām to motora aizmugurē un ar zīmuli iespiedām skrūvju caurumos tieši caur papīru. Papīrs ar četriem skrūvju caurumiem tika novietots uz koka, lai mēs varētu atzīmēt urbto urbumu atrašanās vietu. Lai urbtu caurumus, izmantojiet 3, 5 mm urbi. Tagad izmantojiet zīmuli un lineālu, lai atrastu šo caurumu centru un izveidotu caurumu asij, izmantojot 5 mm urbi. Piestipriniet motorus ar M3 skrūvēm, bet atstājiet vienu no plašāk izvietotajām skrūvēm no viena motora.

Lai iegūtu motora savienotāju un vadu robota iekšpusē, mēs arī urbām 8 mm caurumu nedaudz virs motora. Pārliecinieties, vai ir pietiekami daudz vietas, lai vadi varētu saliekties, tos pārāk nesasprindzinot.

Ir svarīgi strādāt pēc iespējas precīzāk, lai izveidotu (gandrīz) perfektu simetrisku ārpusi

5. solis: komponentu uzstādīšana

Uz koka atzīmējiet vertikālu centra vadlīniju, lai jūs varētu novietot sastāvdaļas centrā. Jūs varat piestiprināt visu pie koka, izmantojot velcro lenti. Mūsu robotā mēs izmantojām mazas skrūves un uzgriežņus, lai nostiprinātu kontrollera paneli, bet jūs varat arī izmantot velcro lenti (mums to vēl nebija, kad pievienojām kontrolieri). Pēc konstrukcijas pabeigšanas pārliecinieties, ka varat pievienot USB kabeli.

Mēs ievietojām kontrolieri centrā ar USB portu uz leju, lai mēs varētu pieslēgt kabeli no riteņiem. Varat arī norādīt uz vienu no pusēm.

Novietojiet akumulatoru pēc iespējas augstāk, lai robots kļūtu ļoti smags. Novietojiet lādēšanas portu arī viegli sasniedzamā vietā netālu no malas.

Bluetooth mikroshēma

Savienojiet Bluetooth mikroshēmas VCC tapu ar +5V uz kontrollera un Bluetooth GND ar kontroliera GND. Kontroliera TXD tapa iet uz Bluetooth RX, un kontroliera RXD tapa - uz Bluetooth TX tapu. Pēc tam vienkārši pielīmējiet Bluetooth mikroshēmu kaut kur uz koka paneļa, izmantojot velcro lenti.

Kustības mikroshēma

Kustības mikroshēmā ir divi skrūvju caurumi, tāpēc mēs pievienojām mikroshēmu, izmantojot starpliku, tā, lai mikroshēmas centrs nokristu virs motora centra. Orientācijai nav nozīmes, jo robots kalibrē sevi, palaižot. Noteikti izmantojiet plastmasas paplāksni zem skrūves galvas, lai novērstu ķēdes īssavienojumu.

Pēc tam izmantojiet DuPont vadus, lai savienotu tapas ar kontrolieri. Katra tapa uz kontroliera ir marķēta tāpat kā kustības mikroshēma, tāpēc tās pievienošana ir diezgan pašsaprotama.

Strāvas slēdzis

Barošanas slēdža pievienošana ir vienkārša. Mēs paņēmām vienu no vecās ierīces un atdalījām to no shēmas plates. Lai to izmantotu kā robota barošanas slēdzi, pievienojiet akumulatora pozitīvo vadu tapai (pieņemot, ka tas ir trīs kontaktu slēdzis) tajā pusē, kurā vēlaties ieslēgt slēdzi. Pēc tam pievienojiet centrālo tapu kontroliera pozitīvajai barošanas ieejai. Mēs pie slēdža pielodējām DuPont vadus, lai pats akumulators nebūtu pastāvīgi piestiprināts pie slēdža.

Sānu savienošana

Tagad jūs zināt sastāvdaļu atrašanās vietu un jums ir robota abas puses. Pēdējais robota konstruēšanas posms būs abu pušu savienošana. mēs izmantojām četrus saliktus trīs koka gabalus un pieskrūvējām pie sāniem tā, lai mūsu kustības mikroshēma atrastos uz robota vidējās ass. Jāsaka, ka izmantotajam materiālam, ja tas ir pietiekami stiprs, nav pārāk lielas nozīmes. Jūs pat varat izmantot smagāku savienojumu augšpusē, lai vēl vairāk palielinātu masas centra augstumu. Bet atšķirībā no masas centra vertikālā stāvokļa, masas centra horizontālais stāvoklis pēc iespējas jāuztur virs riteņa ass, jo kustības mikroshēmas kodēšana kļūtu diezgan grūta, ja horizontālais centrs būtu pārvietoto masu.

Tagad esat gatavs augšupielādēt kodu un noregulēt kontrolieri.

6. darbība: koda augšupielāde un regulēšana

Lai augšupielādētu kodu, jums ir nepieciešams dators ar Arduino IDE. Lejupielādējiet tālāk esošo.ino failu un atveriet to, izmantojot Arduino IDE. Tā augšupielāde kontrolierī tiek veikta tāpat kā ar Bluetooth iestatīšanas kodu.

Lai robots darbotos, no Play veikala ir jālejupielādē lietotne ‘Joystick bluetooth Commander’. Ieslēdziet robota barošanu un novietojiet to uz grīdas, tā priekšpusē vai aizmugurē. Palaidiet lietotni un izveidojiet savienojumu ar Bluetooth mikroshēmu. Pēc robota kalibrēšanas 1. datu lauks pāriet no XXX uz GATAVS (5 sekundes, lai to novietotu uz sāniem, kam seko 10 sekundes kalibrēšanas). Robotu var ieslēgt, lietotnē pārslēdzot pogu 1. Tagad novietojiet robotu vertikāli uz zemes un atlaidiet, tiklīdz jūtat, ka dzinēji ieslēdzas. Tas ir tad, kad robots sāk līdzsvarot sevi.

Robots tagad ir gatavs noregulēšanai, jo tā stabilitāte, iespējams, nav lieliska. Jūs varat izmēģināt, vai tas darbojas bez papildu regulēšanas, taču jums ir jāpadara robots diezgan identisks mūsējam, lai tas darbotos pareizi. Tāpēc vairumā gadījumu jums vajadzētu noregulēt kontrolieri, lai tas vislabāk darbotos ar jūsu robotu. Tas ir diezgan vienkārši, lai gan tas ir diezgan laikietilpīgs. Tālāk ir norādīts, kā to izdarīt.

Kontroliera regulēšana

Kaut kur kodā jūs atradīsit 4 mainīgos, sākot ar k. Tie ir kp, kd, kc un kv. Sāciet, iestatot visas vērtības uz nulli. Pirmā iestatāmā vērtība ir kp. Noklusējuma kp vērtība ir 0,17. Mēģiniet iestatīt to uz kaut ko daudz zemāku, piemēram, 0,05. Izslēdziet robotu, augšupielādējiet kodu un apskatiet, kā tas mēģina līdzsvarot. Ja tas nokrīt uz priekšu, palieliniet vērtību. Visgudrākais veids, kā to izdarīt, ir interpolēt:

1. Iestatiet vērtību zemā līmenī un izmēģiniet to
2. Iestatiet vērtību uz kaut ko augstu un izmēģiniet to
3. Iestatiet vidējo vērtību un izmēģiniet to
4. Tagad mēģiniet noskaidrot, vai tas labāk līdzsvaroja zemo vai augsto vērtību un vidējo pašreizējo vērtību un to, kurā tā strādāja labāk.
5. Turpiniet, līdz atrodat saldu vietu

Labākā vieta kp vērtībai ir tad, kad tā atrodas zem un pārāk zemas kompensācijas robežas. Tāpēc dažreiz tas nokrīt uz priekšu, jo nespēj sekot kritiena ātrumam, un citreiz tas nokrīt atpakaļ, jo tas pārsniedz ātrumu citā virzienā.

Kad esat iestatījis kp vērtību, iestatiet kd. To var izdarīt tāpat kā ar kp. Palieliniet šo vērtību, līdz robots ir gandrīz līdzsvarots, lai tas šūpotos uz priekšu un atpakaļ, līdz tas apgāžas. Ja jūs to iestatāt pārāk augstu, jūs varat panākt, lai tas jau diezgan glīti līdzsvarotos, bet, ja līdzsvars tiek pārāk izjaukts, tas apgāzīsies (piemēram, kad jūs to spiežat). Tāpēc mēģiniet atrast vietu, kur tas nav gluži līdzsvarots, bet diezgan tuvu.

Kā jūs varat uzminēt, kontroliera regulēšana var prasīt vairākus mēģinājumus, jo ar katru jauno mainīgo tiek ieviests grūtāk. Tātad, ja jūs domājat, ka tas nedarbosies, sāciet no jauna.

Tagad ir pienācis laiks iestatīt kv. Interpolējiet to, līdz atrodat vērtību, pie kuras robots pārtrauc šūpošanos, paliek līdzsvarots un spēj izturēt vieglu spiedienu. Ja tas ir iestatīts pārāk augstu, tas negatīvi ietekmē stabilitāti. Mēģiniet spēlēt ar kv un kp, lai atrastu punktu, kurā tas ir visstabilākais. Tas ir laikietilpīgākais noregulēšanas solis.

Pēdējā vērtība ir kc. Šī vērtība liek robotam atgriezties savā pēdējā stāvoklī pēc tam, kad ir kompensēts spiediens vai kaut kas cits. Šeit varat izmēģināt to pašu interpolācijas metodi, taču vairumā gadījumu 0,0002 vajadzētu darboties diezgan labi.

Tieši tā! Jūsu robots tagad ir gatavs. Lai vadītu robotu, izmantojiet viedtālruņa kursorsviru. Tomēr esiet piesardzīgs, jo, braucot uz priekšu ar maksimālo ātrumu, robots joprojām var nokrist. Spēlējiet ar kontroliera mainīgajiem, lai to pēc iespējas kompensētu. Loģiskākais solis būtu aplūkot kp vērtību, jo tas tieši kompensē robota pašreizējo leņķi.

Svarīga piezīme par LiPo akumulatoriem

Ieteicams regulāri pārbaudīt LiPo akumulatora spriegumu. LiPo baterijas nedrīkst izlādēt mazāk par 3 voltiem uz šūnu, mērot 9 voltus 3S LiPo. Ja spriegums nokrītas zem 3 voltiem vienā šūnā, akumulators pastāvīgi samazinās kapacitāti. Ja spriegums pazeminās zem 2,5 voltiem vienā šūnā, izmetiet akumulatoru un iegādājieties jaunu. LiPo elementa uzlāde ar mazāk nekā 2,5 voltiem ir bīstama, jo iekšējā pretestība kļūst ļoti augsta, kā rezultātā uzlādējas akumulators un iespējama ugunsbīstamība.