DC мотор у меня начал крутиться только при указании скорости больше 100, если меньше - просто жужжит. Минимальную скорость вашего мотора вам придется определить экспериментально.

Для моторов, подключенных к M1 и M2 можно задать частоту: MOTOR12_64KHZ, MOTOR12_8KHZ, MOTOR12_2KHZ, MOTOR12_1KHZ. Наибольшая скорость вращения достигается при 64KHz эта частота будет слышна, меньшая частота и скорость на 1KHz но и использует меньше энергии. Моторы 3 и 4 всегда работают на 1KHz другие значения игнорируются. По умолчанию везде 1KHz.

После этого необходимо прогнать тест моторов. . В начале скетча измените номер мотора в строке (или в строках) типа:

Скетч некоторое время вращает мотор(ы) вперед по ходу движения робота, а затем назад. Посмотрите внимательно в ту ли сторону вращается мотор, и измените полярность подключения если нужно.

Подключаем ультразвуковой измеритель расстояния HC-SR04 Ultrasonic Module. Распиновка выводов:

• Trig (T)
• Echo (R)

Время затрачиваемое ультразвуковым дальномером на измерения (определено опытным путем):

• максимум 240 мсек, если расстояние слишком велико (out of range)
• минимум 1 мсек, если расстояние слишком мало
• расстояние в 1.5 м определяется примерно за 10 мсек

Ультразвуковой датчик дальномер, в силу своей физической природы, а не потому что Китай, в некоторых случаях плохо определяет расстояние до препятствия:

• если препятствие сложной формы, то ультразвук отражается под разными углами и датчик ошибается,
• ультразвук отлично поглощается (т.е. не отражается) мягкой мебелью или игрушками, и датчик считает что перед ним ничего нет.

Другими словами, для ультразвукового дальномера в идеале было бы отлично, если бы все препятствия имели вид твёрдой плоскости, перпендикулярной направлению излучения ультразвука.

Некоторые проблемы можно решить с помощью инфракрасного датчика расстояния. Но он тоже не идеален:

• небольшая максимальная дальность по сравнению с ультразвуковым: 0,3-0,8 м против 4 м
• большое минимальное расстояние по сравнению с ультразвуковым: 10 см против 2 см
• зависимость чувствительности датчика от общей освещенности.

Хотя если установить эти дальномеры в паре, то эффективность их работы заметно повысилась бы.

Подключаем Bluetooth HC-05

Как видим из даташита основные пины «голого» HC-05:

• TX (pin 1) передача
• RX (pin 2) прием
• 3,3V (pin 12) питание 3.3В
• GND (pin 13) земля
• PIO8 (pin 31) индикатор режима
• PIO9 (pin 32) статус соединения, если соединение установлено, то на выходе будет высокий уровень
• PIO11 (pin 34) для включения режима AT-команд

Наш модуль припаян к плате Breakout/Base Board, где уже есть делитель напряжения, поэтому диапазон рабочих напряжений у него от 3.3В до 6В.

Подключаем наш Bluetooth модуль в сборе:

• Arduino (TX) - (RX) HC-05
• Arduino (RX) - (TX) HC-05
• Arduino (+5В) - (VCC) Bluetooth
• Arduino (GND) - (GND) Bluetooth
• пины LED, KEY не используются

После подачи питания на модуль Bluetooth HС-05 на нем должен заморгать светодиод, что означает работоспособность блютуза.

Включаем bluetooth на мобиле, находим устройство с именем HC-05 и подключаемся, пароль 1234.

Для тестирования заливаем в Arduino простой скетч:

На Android телефон устанавливаем Bluetooth Terminal. Подключаемся к устройству HC-05 и наблюдаем на экране телефона бегущие строки с увеличивающимся счетчиком.

Чтобы модуль мог принимать AT-команды, нужно его перевести в соответствующий режим - для этого нужно установить вывод KEY (PIO11) в логическую 1. На некоторых Breakout/Base Board вместо вывода KEY есть вывод EN (ENABLE), который может или не может быть припаян к выводу на самом чипе. Это касается только чипов HC05. Вот как раз у меня вывод EN платы никуда не припаян. Поэтому его можно припаять отдельным проводом к выводу KEY(PIO11) чипа. Либо во время работы, чтобы перевести HC05 в режим AT-команд на пару секунд закоротить вывод чипа KEY(PIO11) на вывод питания Vcc. Для HC06 вывод KEY не нужен.

Программное обеспечение

Примечание. Каждый раз перед загрузкой программы в Arduino, убедитесь, что модуль Bluetooth не подключен к Arduino. Это вызовет проблемы заливки скетча. Просто отсоедините питание от Bluetooth модуля или провода, соединяющие Arduino и RX, TX контакты модуля.

В начале скетча измените номера моторов в строках типа:

Если заменить строку

то включится режим отладки.

В режиме отладки робот RoboCar4W реально ездить или крутить колесами не будет. Вместо этого активируйте монитор последовательного порта и там увидите как он «ездит» виртуально. Вместо реальной езды вперед в монитор последовательного порта будет писаться строка «Forward», вместо заднего хода с поворотом влево - «Turn Back L(eft)» и т.д. Датчик ультразвукового измерения расстояния тоже ничего не делает, вместо этого расстояния до препятствий генерируются программно и случайно.

Этот режим отладки удобен, если вы меняете алгоритм движения и вместо того, чтобы ловить машинку по комнате, просто проверяете всё на «холостом» ходу.

Ну вот и все! Счастливой дороги!

Давайте поговорим о том как можно использовать Ардуино для создания робота, который балансирует как Сигвей.

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 - , который обеспечивает как ускорение, так и вращение во всех трех осях (). Ардуино использует это, чтобы знать текущую ориентацию робота. Корректирующим элементом является комбинация двигателя и колеса.

В итоге должен получиться примерно такой друг:

Схема робота

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 .

#include #include #include "I2Cdev.h" #include "MPU6050_6Axis_MotionApps20.h" #if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE #include "Wire.h" #endif #define MIN_ABS_SPEED 20 MPU6050 mpu; // MPU control/status vars bool dmpReady = false; // set true if DMP init was successful uint8_t mpuIntStatus; // holds actual interrupt status byte from MPU uint8_t devStatus; // return status after each device operation (0 = success, !0 = error) uint16_t packetSize; // expected DMP packet size (default is 42 bytes) uint16_t fifoCount; // count of all bytes currently in FIFO uint8_t fifoBuffer; // FIFO storage buffer // orientation/motion vars Quaternion q; // quaternion container VectorFloat gravity; // gravity vector float ypr; // yaw/pitch/roll container and gravity vector //PID double originalSetpoint = 173; double setpoint = originalSetpoint; double movingAngleOffset = 0.1; double input, output; //adjust these values to fit your own design double Kp = 50; double Kd = 1.4; double Ki = 60; PID pid(&input, &output, &setpoint, Kp, Ki, Kd, DIRECT); double motorSpeedFactorLeft = 0.6; double motorSpeedFactorRight = 0.5; //MOTOR CONTROLLER int ENA = 5; int IN1 = 6; int IN2 = 7; int IN3 = 8; int IN4 = 9; int ENB = 10; LMotorController motorController(ENA, IN1, IN2, ENB, IN3, IN4, motorSpeedFactorLeft, motorSpeedFactorRight); volatile bool mpuInterrupt = false; // indicates whether MPU interrupt pin has gone high void dmpDataReady() { mpuInterrupt = true; } void setup() { // join I2C bus (I2Cdev library doesn"t do this automatically) #if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE Wire.begin(); TWBR = 24; // 400kHz I2C clock (200kHz if CPU is 8MHz) #elif I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_BUILTIN_FASTWIRE Fastwire::setup(400, true); #endif mpu.initialize(); devStatus = mpu.dmpInitialize(); // supply your own gyro offsets here, scaled for min sensitivity mpu.setXGyroOffset(220); mpu.setYGyroOffset(76); mpu.setZGyroOffset(-85); mpu.setZAccelOffset(1788); // 1688 factory default for my test chip // make sure it worked (returns 0 if so) if (devStatus == 0) { // turn on the DMP, now that it"s ready mpu.setDMPEnabled(true); // enable Arduino interrupt detection attachInterrupt(0, dmpDataReady, RISING); mpuIntStatus = mpu.getIntStatus(); // set our DMP Ready flag so the main loop() function knows it"s okay to use it dmpReady = true; // get expected DMP packet size for later comparison packetSize = mpu.dmpGetFIFOPacketSize(); //setup PID pid.SetMode(AUTOMATIC); pid.SetSampleTime(10); pid.SetOutputLimits(-255, 255); } else { // ERROR! // 1 = initial memory load failed // 2 = DMP configuration updates failed // (if it"s going to break, usually the code will be 1) Serial.print(F("DMP Initialization failed (code ")); Serial.print(devStatus); Serial.println(F(")")); } } void loop() { // if programming failed, don"t try to do anything if (!dmpReady) return; // wait for MPU interrupt or extra packet(s) available while (!mpuInterrupt && fifoCount < packetSize) { //no mpu data - performing PID calculations and output to motors pid.Compute(); motorController.move(output, MIN_ABS_SPEED); } // reset interrupt flag and get INT_STATUS byte mpuInterrupt = false; mpuIntStatus = mpu.getIntStatus(); // get current FIFO count fifoCount = mpu.getFIFOCount(); // check for overflow (this should never happen unless our code is too inefficient) if ((mpuIntStatus & 0x10) || fifoCount == 1024) { // reset so we can continue cleanly mpu.resetFIFO(); Serial.println(F("FIFO overflow!")); // otherwise, check for DMP data ready interrupt (this should happen frequently) } else if (mpuIntStatus & 0x02) { // wait for correct available data length, should be a VERY short wait while (fifoCount < packetSize) fifoCount = mpu.getFIFOCount(); // read a packet from FIFO mpu.getFIFOBytes(fifoBuffer, packetSize); // track FIFO count here in case there is > 1 packet available // (this lets us immediately read more without waiting for an interrupt) fifoCount -= packetSize; mpu.dmpGetQuaternion(&q, fifoBuffer); mpu.dmpGetGravity(&gravity, &q); mpu.dmpGetYawPitchRoll(ypr, &q, &gravity); input = ypr * 180/M_PI + 180; } }

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 motorSpeedFactorLeft и motorSpeedFactorRight.

На этом пока всё. До встречи.

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.

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.

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.

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

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 . 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.

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.

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.

Инструкция по сборке робота-автомобиля

В этой статье расскажем вам о том, как по шагам собрать универсального робота на колесной или гусеничной платформе. Управлять им будет микроконтроллер Ардуино нано. Если вам не нравится долго читать, посмотрите в конце статьи на видео, подготовленное нашими партнерами – каналом ArduMast Club.

Пример платформы робота-машины на Ардуино

Предлагаем инструкцию по созданию универсальной платформы, которая потом пригодится для создания самых разных проектов, независимо от выбранного контролера или типа шасси. Вы можете использовать стандартные варианты из Алиэкспресса, как на видео, можете снабдить машину гусеницами и создать вездеход, можете придумать вообще ни на что не похожий вариант. Главное, чтобы число двигателей не превышало 4 и сами ни не были слишком мощными (тогда придется менять тип управления моторами – другой драйвер двигателя).

Для реализации проекта нам понадобится:

• Контроллер Ардуино (в нашем случае, Arduino Nano).
• Двигатели с редукторами.
• Корпус и шасси для крепления колес и оборудования
• Корпус для аккумуляторов 18650 с выключателем.
• Коммутационные провода.

Дополнительное оборудование, которое потребуется для создания полноценного проекта:

• Датчик расстояния и серво-мотор, на который он установлен.
• Инфракрасные датчики линии.
• Светодиоды для индикации и “красоты”.
• Пьезодинамик – пищалка.
• Bluetooth модуль (если собираетесь управлять машинкой дистанционно).
• Sensor shield (упрощает коммутацию).
• Модуль контроля заряда и подзарядки аккумуляторов.
• Сами аккумуляторы.

Схема электропитания робота автомобиля

Вопрос организации правильного стабильного электропитания является одним из самых важных в любом проекте.В нашей модели применена рекомендованная нами схема питания, основанная на использовании литийионных аккумуляторов формата 18650 и платы защиты их от переразряда и перезаряда.

Давайте разберем самый простой вариант схемы питания электромоторов. Перед началом сборки лучше заранее припаять провода к моторам.

Все достаточно стандартно и вы найдете в интернете десятки подобных примеров. Но в этой схеме есть большой минус – в случае полного разряда аккумуляторы придут в негодность.

Для добавления контроллера разряда придется внести следующие изменения в схему:

Теперь аккумуляторы будут защищены, но здесь нет возможности заряжать их.

Для зарядки можно использовать модуль повышения напряжения с 5v до необходимого уровня зарядки, который зависит от количества серий используемых аккумуляторов. Он имеет гнездо типа микро USB и при частом использовании оно может сломаться, поэтому мы рекомендуем установить дополнительное гнездо для последующей подзарядки пяти вольтовым блоком питания. Для зарядки двух литий-ионных аккумуляторов необходимо настроить выходное напряжение на 8,4 Вольта.

Подключаем двигатели и плату

С питанием платформы мы разобрались, теперь подключим остальные компоненты. Для начала припаиваем провода к моторам, затем обматываем их изолентой, чтобы случайно в дальнейшем не оторвать контакты. Можно сделать так, что в итоге на 2 двигателя будут идти всего два провода вместо 4х. Это немного упростит монтаж и сэкономит место на платформе.

Монтируем драйвер двигателей на платформу так, чтобы его радиатор был спереди. ЭТО ВАЖНО! В противном случае, вам придется переписывать программу для микроконтроллера.

Затем размещаем холдер и плату БМС. Не забываем оставлять место спереди для последующего монтажа каких-либо сенсоров. Ардуиио нужно разместить так, чтобы была в дальнейшем возможность подключить его к ПК для прошивки. Это же правило относится и к модулю для зарядки аккумуляторов.

Питание для ардуино и других электронных компонентов мы возьмем от драйвера двигателей.

Подключаем Bluetooth к машинке

Мы собираемся использовать модуль Bluetooth через SoftwareSerial (библиотеку SoftwareSerial.h), поэтому подключаем модуль блютуз к 3 и 4 цифровым пинам ардуино. RX к D3, TX к D4

Программирование робота на Ардуино

Так как мы делаем инструкцию по сборке универсального робота, то неплохо бы предусмотреть все необходимое для разных вариантов ее использования. Весь код вы можете найти в архиве: https://yadi.sk/d/jIYZQDI-GuytMw

Для езды по черной линии мы задействовали 3 пина под датчики линии и три пина для подключения светодиодов, чтобы иметь возможность визуального контроля наличия линии. Другими словами, если под левым сенсором есть черная линия, то загорится левый светодиод и так далее. Кроме того, мы разработали и протестировали схему, в которой будут одновременно использоваться и управление скоростью моторов по ШИМ, и серводвигатель.

Видео инструкция по сборке робота на Ардуино

Предлагаем вашему вниманию подробную видео-инструкцию по сборке робота автомобиля на Ардуино от нашего партнера – канала ArduMast Club .

Надеемся, статья была полезна для вас. В комментариях под видео вы сможете найти код, схемы робота, соединения деталей, скетч и ссылки на интернет-магазины, в которых вы можете купить все необходимые компоненты.

После того, как стали популярными самобалансирующие скутеры Segway, я
всегда хотел создать нечто подобное. Вдохновившись ими, я решил построить Self Balancing Robot ,
используя Arduino. Таким образом, я захотел понять основный принцип работы всех этих скутеров,
а также узнать, как работает алгоритм ПИД-регулирования.

Как только я начал работу над ним, я понял, что этот робот — немного сложнее нежели я думал.
Существует так много подводных камней, которые
следует учитывать — тип батареи, положение батареи, сцепление с колесом, тип драйвера двигателя,
поддержание CoG (центр тяжести) и многое другое.

Но как только вы его сделаете, вы согласитесь, что это не так сложно,
как кажется. Итак, давайте посмотрим правде в глаза, в этом уроке я опишу свой опыт по созданию
робота для самостоятельной балансировки. Вы можете быть абсолютным новичком, который только
начинает работать или, возможно, приземлился здесь после долгого разочарования, когда питались заставить вашего робота балансировать.
Итак, давайте начнем …

Выбор електроники для вашего бота

Прежде чем я расскажу вам все варианты создания бота, позвольте мне перечислить элементы,
которые я использовал в этом проекте.

• Arduino UNO
• Двигатели постоянного тока с редуктором – 2Nos
• L298N Motor Driver Module
• MPU6050
• Пара колес
• 7.4V Li-ion Battery
• Купа проводов
• Каркас напечатанный на 3D принтере

Контроллер: Контроллер, который я использовал здесь, это Arduino UNO, почему, потому что он просто прост в использовании. Вы также можете использовать Arduino Nano или Arduino mini, но я бы рекомендовал вам придерживаться UNO, так как мы можем запрограммировать его напрямую без какого-либо внешнего оборудования.

Двигатели: лучший выбор двигателя, который вы можете использовать для самобалансирующегося робота, без сомнения, будет шаговым двигателем. Но чтобы все было просто, я использовал двигатель редуктора постоянного тока. Да, не обязательно иметь степпера; бот отлично работает с этими дешевыми широко распространенными желтыми цветными двигателями постоянного тока.

Драйвер двигателя: если вы выбрали двигатели постоянного тока, такие как мои, тогда вы можете использовать модуль драйвера L298N, как я, или даже L293D должен работать нормально.

Колеса: не недооценивайте этих парней; Мне было трудно понять, что проблема была в моих колесах. Поэтому убедитесь, что ваши колеса хорошо сцеплены с полом, который вы используете.

Акселерометр и гироскоп: лучшим выбором акселерометра и гироскопа для вашего робота будет MPU6050 . Поэтому не пытайтесь построить его с обычным акселерометром, например ADXL345 , или что-то в этом роде, он просто не сработает. Вы узнаете, почему в конце этой статьи. Вы также можете использовать эту статью для изучения MPU6050 и его подключения к Arduino.

Battery: Нам нужна батарея как можно более легкая, а рабочее напряжение должно быть больше 5 В, чтобы мы могли напрямую управлять нашим Arduino без модуля повышения. Таким образом, идеальным выбором будет литий-полимерный аккумулятор 7.4V. Поскольку у меня была литий-ионная аккумуляторная батарея 7,4 В, я ее использовал. Но помните, что Li-po лучше, чем Li-ion.

Chassis: Еще одно место, где вы не должны идти на компромисс, — это шасси вашего робота. Вы можете использовать картон, дерево, пластик, с которым вы хорошо справляетесь. Но только убедитесь, что шасси прочное и оно не должно люфтить, когда робот пытается балансировать. Я разработал собственное шасси в программе Solidworks . Если у вас есть принтер, вы также можете распечатать проект, его файлы будут прикреплены внизу статьи.

3D-печать и сборка робота

Если вы решили напечатать то же самое шасси, которое я использую, чтобы построить моего робота, тогда скачайте STL-файлы. Я также добавил файлы проетка вместе с ним, чтобы вы также могли изменить его в соответствии с вашими предпочтениями.

Детали не имеют нависающих частей, поэтому вы можете легко распечатать их без каких-либо опор, а заполнение на 25% будет вполне достаточно. Конструкция довольно простая, и любой базовый принтер должен легко справиться с ее частями. Я использовал программное обеспечение Cura , чтобы подготовить модель и напечатать ее с помощью Tevo Tarantula , настройка показана ниже.

Вам придется распечатать одну часть корпуса, а также четыре части крепления двигателей. Сборка довольно проста; используйте гайки и болты 3 мм для крепления двигателя и шасси между собой. После сборки он должен выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.

Фактическая конструкция была запланирована с использованием приводного модуля L298N в нижней стойке, Arduino в средней и батареи сверху, как показано выше. Если вы делаете все как я, вы можете напрямую завинтить плату с помощью предусмотренных отверстий и использовать проводную бирку для аккумулятора Li-po. Эта компоновка также должна работать, за исключением сверхпрочных колес, которые мне пришлось изменить позже.

В моем роботе я поменял позицию батареи и платы Arduino UNO для упрощения программирования, а также должен был ввести кнопку выключения. Так что мой бот не выглядел так, как я планировал на начальном этапе. После завершения тестирования проводов и всего, мой бот, наконец, выглядит так как на второй картинке выше.

Принципиальная электрическая схема

Соединение частей этого робота между собой задача не сложная. Нам просто нужно подключить MPU6050 к Arduino и подключить двигатели, через модуль драйвера двигателя. Вся конструкция рассчитана на питание от литиево-ионного аккумулятора 7.4V. Схема показана ниже….

Модуль управления двигателем Arduino и L298N напрямую питается через вывод Vin и 12-вольтовый вход соответственно. Встроенный регулятор на плате Arduino преобразует входное напряжение 7.4V в 5V, и ATmega IC и MPU6050 будут питаться от него.

MPU6050 взаимодействует с интерфейсом Arduino через интерфейс I2C, поэтому мы используем штыри SPI A4 и A5 от Arduino. Двигатели постоянного тока подключаются к штырям PWM D6, D9 D10 и D11 соответственно. Нам нужно подключить их к контактам PWM, потому что мы будем контролировать скорость двигателя постоянного тока, изменяя рабочий цикл сигналов ШИМ. Если вы не знакомы с этими двумя компонентами, рекомендуется прочитать руководство по интерфейсу MPU6050 Interfacing и L298N Motor.

Программирование самобалансирующегося робота

Теперь нам нужно запрограммировать нашу Arduino UNO, чтобы сбалансировать робота. Здесь происходит вся магия; концепция, стоящая за ней, проста. Мы должны проверить, наклоняется ли бот к передней или к задней части с помощью MPU6050, а затем, если он наклоняется к передней части, мы должны вращать колеса в прямом направлении, и если он наклоняется к задней части, мы должны вращать колеса в обратном направлении.

В то же время мы также должны контролировать скорость вращения колес, если бот слегка дезориентирован из центрального положения, колеса вращаются медленно, а скорость увеличивается, когда она больше удаляется от центрального положения. Для достижения этой логики мы используем алгоритм PID, который имеет центральное положение в качестве заданного значения и уровень дезориентации в качестве выходного.

Чтобы узнать текущее положение бота, мы используем MPU6050, который представляет собой 6-осевой акселерометр и датчик гироскопа. Чтобы получить достоверное значение положения от датчика, нам нужно использовать значение как акселерометра, так и гироскопа, поскольку значения от акселерометра имеют проблемы с шумом, а значения из гироскопа со временем дрейфуют. Таким образом, мы должны объединить оба и получить значение шага рыскания и крена нашего робота, из которого мы будем использовать только значение рыскания.

Теперь у нас есть библиотеки, добавленные в нашу среду разработки Arduino. Давайте начнем программирование для нашего Self-балансирующего робота. Как и всегда, полный код для проекта приведен в конце этой страницы, здесь я просто объясняю наиболее важные фрагменты кода. Ранее сообщалось, что код построен поверх примера кода MPU6050, мы просто собираемся оптимизировать код для нашей цели и добавить PID и технологию управления для нашего самобалансирующегося робота.

Сначала мы включаем библиотеки, которые необходимы для работы этой программы. Они включают встроенную библиотеку I2C, библиотеку PID и библиотеку MPU6050, которые мы только что загрузили.

Затем мы объявляем переменные, которые необходимы для получения данных от датчика MPU6050. Мы читаем как значения гравитационного вектора, так и значения кватерниона, а затем вычисляем значение угла и угла поворота бота. Конечный результат будет иметь массив float ypr .

Далее идет очень важный сегмент кода, и именно здесь вы будете тратить много времени на настройку нужного набора значений. Если ваш робот построен с очень хорошим центром тяжести, а компоненты симметрично расположены (что в большинстве случаев нет), тогда значение вашего уставки будет равно 180. Просто подключите ваш бот к серийному монитору Arduino и наклоните его до положения балансировки, прочитайте значение, отображаемое на последовательном мониторе, и это ваше заданное значение. Значение Kp, Kd и Ki должно быть настроено в соответствии с вашим ботом. Никакие два одинаковых бота не будут иметь одинаковых значений Kp, Kd и Ki, поэтому от него не уйти.

В следующей строке мы инициализируем алгоритм PID, передавая входные переменные input, output, set point, Kp, Ki и Kd. Из них мы уже установили значения заданного значения Kp, Ki и Kd в приведенном выше фрагменте кода. Значение входа будет текущим значением рыскания, которое считывается с датчика MPU6050, а значением выхода будет значение, которое рассчитывается по алгоритму PID. Таким образом, в основном алгоритм PID даст нам выходное значение, которое должно использоваться для коррекции значения Input, чтобы оно было близко к заданной точке.

Внутри функции void setup мы инициализируем MPU6050, настроив DMP (Digital Motion Processor). Это поможет нам объединить данные акселерометра с данными гироскопа и обеспечить надежное значение Yaw, Pitch and Roll. Мы не будем углубляться в это, так как это будет далеко за пределами темы. Во всяком случае, один сегмент кода, который вы должны искать в функции настройки, представляет собой значения смещения гироскопа. Каждый датчик MPU6050 имеет собственные значения смещений, вы можете использовать этот эскиз Arduino для расчета значения смещения вашего датчика и соответственно обновить следующие строки в вашей программе.

Мы также должны инициализировать контакты PWM Digital, которые мы используем для подключения наших двигателей. В нашем случае это D6, D9, D10 и D11. Таким образом, мы инициализируем эти контакты, поскольку выходные выводы делают их LOW по умолчанию.

Внутри основной функции цикла мы проверяем, готовы ли данные из MPU6050 для чтения. Если да, то мы используем его для вычисления значения PID, а затем отображаем входное и выходное значение PID на последовательном мониторе, чтобы проверить, как реагирует PID. Затем, основываясь на значении вывода, мы решаем, должен ли бот двигаться вперед или назад или стоять на месте.

Поскольку мы предполагаем, что MPU6050 вернет 180, когда бот будет вертикально. Мы получим положительные значения коррекции, когда бот падает вперед, и мы получим значения отрицательными, если бот падает назад. Поэтому мы проверяем это условие и вызываем соответствующие функции для перемещения бота вперед или назад.

Выходная переменная PID также определяет, как быстро двигатель должен вращаться. Если бот вот-вот упадет, мы сделаем небольшую коррекцию, медленно вращая колесо. Если эти незначительные корректировки работают, и все еще, если бот падает, мы увеличиваем скорость двигателя. Значение того, как быстро вращаются колеса, будет определяться алгоритмом PI. Заметим, что для функции Reverse мы умножили значение вывода с -1, чтобы мы могли преобразовать отрицательное значение в положительное.

Работа робота Self Balancing Arduino

После того как вы будете готовы с оборудованием, вы можете загрузить этот код на свою плату Arduino. Убедитесь, что соединения правильные, поскольку мы используем литий-ионную батарею. Поэтому дважды проверьте наличие коротких замыканий и убедитесь, что клеммы не соприкасаются, даже если ваш бот испытывает небольшие удары. Включите ваш модуль и откройте свой последовательный монитор, если ваш Arduino может связаться с MPU6050 успешно, и если все работает должным образом, вы увидите следующий экран.

Здесь мы видим входные и выходные значения ПИД-алгоритма в формате input => output. Если бот отлично сбалансирован, значение выхода будет равно 0. Входное значение — это текущее значение от датчика MPU6050. Символ «F» означает, что бот движется вперед, а «R» означает, что бот обратно.

Надеюсь, это поможет создать собственный робот-балансировщик =).

Заключительная часть статьи о маленьком роботе, которого мы собираем на шасси - крышке от пластикового контейнера для еды. Мозгом нашего робота является плата Arduino UNO, двигателями и сервоприводом управляет плата Driver Motor Shield, датчик препятствий - Ультразвуковой сонар - глазки как у Валли (из мультика) - «HC-SR04 Ultrasonic Sensor». , . Как создать робота на Arduino?

9. Подключение батареи и моторов

При подключении батареи нужно быть абсолютно уверенным в правильности соблюдения полярности, как говорится 7 раз отмерь, один раз подключи. Старайтесь соблюдать такое правило - красны провод всегда к + питания, черный провод - земля, он же минус, он же GND. Производители стараются соблюдать такие же правила. Поэтому провода идущие от аккумуляторного отсека подсоединяем к колодке +M и GND, на плате управления двигателями. Провода от ходовых двигателей подключаем к колодкам M1, M2 платы управления двигателями. Левая сторона, по ходу движения подсоединяется к колодке M1, правая сторона к колодке M2. По поводу полярности двигателей пока волноваться не стоит, её можно будет поменять, если во время теста пойдёт что то не так.

10. Проверяем полярность и правильность соединения модулей

Очень важный и ответственный момент сборки микроробота - проверка правильности монтажа, соединений, модулей согласно блок схеме, смотрим маркировку на платах, проверяем с помощью тестера, полярность питания, у кого есть тестер.

11. Этап программирования Arduino

Программа в микроконтроллер Arduino заливается из компьютера, посредством USB кабеля и специальной программы - среды программирования и редактирования скетчей (программ) - Arduino IDE. Взять программу можно с сайта arduino.cc, раздел Download, там всегда можно скачать последнюю, самую свежую версию программы. После того как среда программирования установлена остаётся только выбрать из меню программы драйвера для какой платы вы хотите использовать, - в нашем случае Arduino UNO, и COM порт через который посредством эмуляции USB подключена Arduino. На этот счёт очень много всяческих мануалов, поэтому этот этап мы пропускаем (на всякий случай - меню Tools > Serial Port) .

Программу для микро робота можно с нашего сайта, правда только после регистрации, шутка Мини робот на Arduino. Для того чтобы программа заработала необходимы дополнительные библиотеки - AFMotor.h, Sevo.h, NewPing.h, все они есть в архиве, вам необходимо распаковать архив в папку установленной программы Arduino IDE. У меня -это директория c:Program Files (x86)Arduino, библиотеки нужно положить в папку c:Program Files (x86)Arduinolibraries. Затем войти в директорию c:Program Files (x86)ArduinolibrariesAPC_4_ROBOT и два раза щёлкнуть мышкой по APC_4_ROBOT.ino это и есть сам скетч, затем запустится среда программирования. Подсоединяем голую плату Arduino Uno (это значит без подключенных модулей) через шнур USB к компьютеру, жмём кнопку со стрелочкой в право, программа начнёт заливаться в контроллер. Весь процесс занимает несколько секунд, и если всё правильно подсоединено, то не должно загораться никаких красных надписей, а индикатор в нижнем правом углу закончит свое движение на 100%. Программа для Arduino установлена в контроллер Atmega328.

12. Запуск робота

Мини робот на Arduino — готов к движению. Robot Wally

Можно осуществить первый, пока ещё пробный запуск нашего робота. У нас робот поехал не правильно, одно колесо крутилось правильно, а другое в противоположную сторону. Пришлось менять полярность проводов двигателя на колодке M2. Зато потом наш маленький робот с честью справлялся со всеми углами и препятствиями комнаты.

Эту статью я посвящаю всем новичкам, которые решили изучать Arduino. Дальнейшее изучение можно продолжать начиная с первого урока, - мигание светодиодом. Материал с роботом, это очень интересно, и чтобы заинтересовать вас, я решил начать именно с того как построить робота объезжающего препятствия. Дальнейшее будет намного проще, и пойдет как по маслу. Этот робот действительно работает. Всем удачи!

P.S. Это был достаточно вольный перевод статьи найденной, когда-то давно, на бескрайних просторах интернет, больше конечно отсебятины, т.к всё делалось по новой, рисунки доработаны, ссылок на источник нет, потому как документ был вордовский.