Edistyneen linjan seurantarobotti: 22 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Tämä on kehittynyt linjaseurantarobotti, joka perustuu Teensy 3.6- ja QTRX -linja -anturiin, jonka olen rakentanut ja jota olen työskennellyt jo jonkin aikaa. Aikaisemman linjani seuraavan robotin suunnittelussa ja suorituskyvyssä on joitain merkittäviä parannuksia. Robotin nopeus ja reaktio ovat parantuneet. Kokonaisrakenne on kompakti ja kevyt. Komponentit on sijoitettu lähelle pyörän akselia kulmamomentin minimoimiseksi. Suuritehoiset mikrometallivaihteistomoottorit tarjoavat riittävän vääntömomentin ja alumiiniset napaiset silikonipyörät tarjoavat tarvittavan pidon suurilla nopeuksilla. Suojus ja pyörän enkooderit mahdollistavat robotin paikan ja suunnan määrittämisen. Kun Teensyview on asennettu, kaikki asiaankuuluvat tiedot voidaan visualisoida ja tärkeät ohjelmaparametrit voidaan päivittää painikkeilla.

Tämän robotin rakentamisen aloittamiseen tarvitset seuraavat tarvikkeet (ja paljon aikaa ja kärsivällisyyttä).

Tarvikkeet

Elektroniikka

• Teensy 3.6: n kehityslautakunta
• Prop Shield ja liikeanturit
• Sparkfun TeensyView
• Pololu QTRX-MD-16A heijastava anturimatriisi
• 15x20cm kaksipuolinen prototyyppi PCB
• Pololu Step-Up/Step-Down jännitesäädin S9V11F3S5
• Pololu säädettävä 4-5-20V: n lisäjännitesäädin U3V70A
• MP12 6V 1580 rpm mikrovaihteinen moottori ja anturi (x2)
• DRV8833 Kaksimoottorinen kuljettajan teline (x2)
• 3,7 V, 750 mAh Li-Po-akku
• On / off kytkin
• Elektrolyyttikondensaattori 470uF
• Elektrolyyttikondensaattori 1000uF (x2)
• Keraaminen kondensaattori 0.1uF (x5)
• Painikkeet (x3)
• 10 mm vihreä LED (x2)

Laitteisto

• Atom -silikonipyörä 37x34mm (x2)
• Pololu -pallopyörä 3/8”metallipallolla
• N20 -moottorikiinnike (x2)
• Pultti ja mutterit

Kaapelit ja liittimet

• 24AWG joustavat johdot
• 24 -nastainen FFC -DIP -katkaisu ja FFC -kaapeli (tyyppi A, pituus 150 mm)
• Pyöreä naarasliitin
• Pyöreä naarasliitin, pitkä liitin
• Suorakulmainen kaksirivinen naarasliitin
• Suorakulmainen kaksirivinen urosliitin
• Uros nastainen otsikko
• Uros neula tappi otsikko

Työkalut

• Yleismittari
• Juotin
• Juotoslanka
• Langanpoistaja
• Lankaleikkuri

Vaihe 1: Järjestelmien yleiskatsaus

Kuten aiemmassa itsetasapainottavan robotin suunnittelussani, tämä robotti on kokoonpano purkulevyistä, jotka on asennettu perfboardille ja joka palvelee myös rakennetta.

Robotin tärkeimmät järjestelmät on kuvattu alla.

Mikro-ohjain: Teensy 3.6 -kehityskortti, jossa on 32-bittinen 180 MHz: n ARM Cortex-M4 -prosessori.

Linja-anturi: Pololun QTRX-MD-16A 16-kanavainen analoginen lähtölinjan anturiryhmä keskitiheyksisessä järjestelyssä (8 mm: n anturiväli).

Taajuusmuuttaja: 6 V, 1580 r / min, suuritehoiset mikrometallivaihteistomoottorit, joissa on magneettinen pyöränkooderi ja alumiiniputkiin asennetut silikonipyörät.

Matkamittari: Magneettiset pyöränkooderiparit koordinaattien ja ajetun matkan arvioimiseksi.

Suunta -anturi: Potkuri, jossa on liiketunnistimia robotin asennon ja suunnan arvioimiseksi.

Virtalähde: 3,7 V, 750 mAh: n lipoakku virtalähteenä. 3.3 V: n ylös/alas-säädin käyttää mikro-ohjainta, antureita ja näyttölaitetta. Säädettävä tehosäädin ohjaa molempia moottoreita.

Käyttöliittymä: Teensyview tietojen näyttämiseen. Kolmen painikkeen katkaisu käyttäjän syötteiden hyväksymiseen. Kaksi halkaisijaltaan 10 mm: n vihreää LED -valoa, jotka ilmaisevat tilan käynnissä.

Vaihe 2: Aloitetaan prototyyppien luominen

Toteutamme yllä olevan piirin perfboardilla. Meidän on ensin pidettävä katkaisulaudat valmiina juottamalla niihin otsikot. Video antaa idean siitä, mitkä otsikot tulisi juottaa ja mitkä levyt.

Kun olet juottanut otsikot katkaisulaudoille, pinoa Teensyview ja painonappien katkaisu Teensyn päälle.

Vaihe 3: Prototyyppien luominen - Perfboard

Hanki 15x20 cm: n kaksipuolinen prototyyppinen esilauta ja merkitse raja pysyvällä merkinnällä, kuten kuvassa. Poraa M2 -kokoiset reiät anturiryhmän, pyörän ja mikrometallivaihteistojen asentamiseksi paikkoihin, jotka on merkitty valkoisella ympyrällä. Leikataan myöhemmin parketti rajaa pitkin kaikkien komponenttien juottamisen ja testaamisen jälkeen.

Aloitamme prototyyppiemme juottamalla otsikkotapit ja pistorasiat perfboardille. Breakout -levyt lisätään myöhemmin näihin otsikoihin. Kiinnitä erityistä huomiota otsikoiden sijaintiin perfboardilla. Yhdistämme kaikki johdot tämän otsikkoasettelun perusteella.

Vaihe 4: Prototyyppien luominen - Prop Shield

Juotamme ensin liitännät potkurikilpeen. Koska käytämme vain potkurin suojaliikkeen liikeantureita, meidän on liitettävä vain SCL-, SDA- ja IRQ -nastat lukuun ottamatta potkurin suojan 3V- ja maadoitusliittimiä.

Kun liitäntä on valmis, aseta Teensy ja prop -suoja ja kalibroi liikeanturit noudattamalla tässä mainittuja vaiheita.

Vaihe 5: Prototyyppien luominen - teho ja maa

Juotos kaikki virta- ja maaliitännät kuvan mukaisesti. Aseta kaikki katkaisulaudat paikoilleen ja varmista jatkuvuus yleismittarilla. Tarkista aluksella olevat eri jännitetasot.

• Li-po-lähtöjännite (yleensä 3V-4,2V)
• Portaaton ylös/alas-säätimen lähtöjännite (3.3V)
• Säädettävä tehostussäätimen lähtöjännite (6V)

Vaihe 6: Prototyyppien luominen - kuljettajan kuljettaja

DRV8833 -kaksimoottorinen ohjainkortti voi tuottaa 1,2A jatkuvaa ja 2A huippuvirtaa kanavaa kohti. Yhdistämme kaksi kanavaa rinnakkain yhden moottorin käyttämiseksi. Juottaa liitännät noudattamalla alla olevia ohjeita.

• Aseta moottorin kuljettajan telineen kaksi tuloa ja kaksi ulostuloa kuvan mukaisesti.
• Liitä tulonohjausjohdot moottorin ohjaimeen.
• Liitä 1000uF elektrolyyttikondensaattori ja 0,1uF keraaminen kondensaattori kahden kantolevyn Vin- ja Gnd -liittimiin.
• Kytke 0,1uF keraaminen kondensaattori moottorin ohjaimen lähtöliitäntöihin.

Vaihe 7: Prototyyppien luominen - Line Sensor Array Header

Teensy 3.6: ssa on kaksi ADC: tä - ADC0 ja ADC1, jotka on multipleksoitu 25 helppokäyttöiseen nastaan. Voimme käyttää mitä tahansa kahta nastaa kahdesta ADC: stä samanaikaisesti. Yhdistämme kahdeksan linja -anturia ADC0: een ja ADC1: een. Parilliset numeroanturit kytketään ADC1: een ja parittomat numeroanturit ADC0: een. Juottaa liitännät noudattamalla alla olevia ohjeita. Liitämme myöhemmin linja -anturin FFC: n avulla DIP -sovittimeen ja -kaapeliin.

• Liitä kaikki parilliset anturitapit (16, 14, 12, 10, 8, 6, 4, 2) kuvan osoittamalla tavalla. Vedä anturin tapin 12 liitosjohto perfboardin kääntöpuolen läpi.
• Liitä emitterin ohjaustappi (EVEN) Teensy -nastaan 30.
• Liitä kaikki parittomat anturitapit (15, 13, 11, 9, 7, 5, 3, 1) kuvan osoittamalla tavalla.
• Liitä 470uF elektrolyyttikondensaattori Vcc ja Gnd.

Jos tarkastelet tarkasti linja -anturin tappeja ja niitä vastaavia otsikkotappeja perboardilla, huomaat, että linja -anturin ylärivi kartoittuu perboardin otsikon alimmalle riville ja päinvastoin. Tämä johtuu siitä, että kun liitämme linja-anturin perfboardiin käyttämällä kaksirivisiä suorakulmaisia otsikoita, rivit kohdistuvat oikein. Kesti jonkin aikaa selvittää tämä ja korjata ohjelman pin -tehtävät.

Vaihe 8: Prototyyppien luominen - Micro Gear Motor and Encoder

• Kiinnitä mikrometallihammasmoottori anturilla käyttämällä N20 -moottorin kiinnikkeitä.
• Kytke moottorin ja anturin johdot kuvan mukaisesti.
• Vasen anturi - teensy -nastat 4 & 0
• Oikea anturi - teensy -nastat 9 ja 27

Vaihe 9: Prototyyppien luominen - LEDit

Kaksi LEDiä osoittavat, onko robotti havainnut käännöksen vai ei. Olen käyttänyt 470 ohmin sarjan vastusta LEDien yhdistämiseen Teensyyn.

• Vasen LED -anodi Teensy -nastaan 6
• Oikea LED -anodi Teensy -nastaan 8

Vaihe 10: Prototyyppien purkaminen

Nyt kun olemme suorittaneet kaikki juotokset perfboard -levylle, voimme leikata varovasti perfboard -levyllä merkittyä rajaa pitkin ja poistaa ylimääräiset perfboard -palat. Kiinnitä myös kaksi pyörää ja pyörä.

Aseta kaikki katkaisulaudat vastaaviin pistorasioihinsa. Katso FFC-DIP-katkaisun asettaminen ja linja-anturin QTRX-MD-16A kiinnittäminen videosta.

Vaihe 11: Ohjelmistokirjastojen yleiskatsaus

Ohjelmoimme Teensyn Arduinon IDE: ssä. Tarvitsemme joitain kirjastoja ennen kuin aloitamme. Käytämme seuraavia kirjastoja:

• Kooderi
• Teensyview
• EEPROM
• ADC
• NXPMotionSense

Ja jotkut, jotka on kirjoitettu erityisesti tälle robotille,

• Paina nappia
• LineSensor
• TeensyviewValikko
• Moottorit

Tätä robottia koskevia kirjastoja käsitellään yksityiskohtaisesti ja ne ovat ladattavissa seuraavissa vaiheissa.

Vaihe 12: Kirjastot selitetty - PushButton

Tämä kirjasto on tarkoitettu painikepainikkeiden liittämiseen Teensyn kanssa. Käytetyt toiminnot ovat

PushButton (int leftButtonPin, int centerButtonPin, int rightButtonPin);

Tämän konstruktorin kutsuminen luomalla objekti määrittää painikkeen nastat INPUT_PULLUP -tilaan.

int8_t waitForButtonPress (mitätön);

Tämä toiminto odottaa, kunnes painiketta painetaan ja vapautetaan, ja palauttaa avainkoodin.

int8_t getSingleButtonPress (mitätön);

Tämä toiminto tarkistaa, painetaanko ja vapautetaanko painiketta. Jos kyllä, palauttaa avainkoodin, muut palauttavat nollan.

Vaihe 13: Kirjastojen selitykset - linja -anturi

LineSensor on kirjasto linja -anturiryhmän liittämiseen Teensyyn. Seuraavat toiminnot ovat käytössä.

LineSensor (mitätön);

Tämän konstruktorin kutsuminen luomalla objekti alustaa ADC0: n ja ADC1: n, lukee kynnysarvot, minimi- ja maksimiarvot EEPROMista ja määrittää anturin nastat tulotilaan ja emitterin ohjaustapin lähtötilaan.

void calibrate (uint8_t calibrationMode);

Tämä toiminto kalibroi linja -anturit. Kalibrointitila voi olla MIN_MAX tai MEDIAN_FILTER. Tämä toiminto selitetään yksityiskohtaisesti myöhemmässä vaiheessa.

void getSensorsAnalog (uint16_t *sensorValue, uint8_t -tila);

Lukee anturiryhmän missä tahansa kolmesta argumentoidusta tilasta. Tila on lähettimien tila ja se voi olla PÄÄLLÄ, POIS tai KYTKETTY. TOGGLE -tila kompensoi anturin lukemat ympäröivän valon heijastuskyvystä. ADC0: een ja ADC1: een liitetyt anturit luetaan synkronisesti.

int getLinePosition (uint16_t *sensorValue);

Laskee anturiryhmän sijainnin viivan yli painotetun keskiarvon menetelmällä.

uint16_t getSensorsBinary (uint16_t *sensorValue);

Palauttaa 16-bittisen esityksen antureiden tilasta. Binaarinen ilmaisee, että anturi on linjan yli ja binaarinen nolla osoittaa, että anturi on linjan ulkopuolella.

uint8_t countBinary (uint16_t binaryValue);

Anturiarvojen 16-bittisen esityksen välittäminen tähän toimintoon palauttaa linjan yli olevien antureiden määrän.

void getSensorsNormalized (uint16_t *sensorValue, uint8_t -tila);

Lukee anturien arvot ja rajoittaa kunkin anturin arvon vastaaviin min ja max arvoihin. Anturin arvot kartoitetaan sitten vastaavalta min -maksimialueelta 0-1000 -alueelle.

Vaihe 14: Kirjastojen selitykset - TeensyviewMenu

TeensyviewMenu on kirjasto, josta pääsee näyttövalikon toimintoihin. Seuraavat toiminnot ovat käytössä.

TeensyViewMenu (mitätön);

Tämän konstruktorin kutsuminen luo luokan LineSensor, PushButton ja TeensyView objektin.

void intro (mitätön);

Tämä on valikossa navigointia varten.

mitätön testi (mitätön);

Tätä kutsutaan sisäisesti valikossa, kun linja -anturien arvot näytetään Teensyview'ssa testausta varten.

Vaihe 15: Kirjastojen selitykset - moottorit

Motors on kirjasto, jota käytetään kahden moottorin käyttämiseen. Seuraavat toiminnot ovat käytössä.

Moottorit (mitätön);

Tämän konstruktorin kutsuminen luomalla objekti määrittää moottorin suunnan ohjauksen ja PWM -ohjaustapit lähtötilaan.

void setSpeed (int leftMotorSpeed, int rightMotorSpeed);

Tämän toiminnon kutsuminen ajaa molempia moottoreita argumentteina annetuilla nopeuksilla. Nopeuden arvo voi vaihdella välillä -255 -+255, ja negatiivinen merkki osoittaa, että pyörimissuunta on päinvastainen.

Vaihe 16: Testaus - Encoder Odometry

Testaamme magneettiset pyöränkooderit ja näytämme robotin sijainnin ja matkan.

Lataa DualEncoderTeensyview.ino. Ohjelma näyttää kooderin punkit Teensyview'ssa. Anturi tikittää lisäyksen, jos siirrät robottia eteenpäin ja pienenee, jos siirrät sitä taaksepäin.

Lataa nyt EncoderOdometry.ino. Tämä ohjelma näyttää robotin sijainnin x-y-koordinaateina, näyttää kokonaismatkan senttimetreinä ja kulman käännettynä asteina.

Olen viitannut Seattle Robotics Societyn toteuttamaan Odotetry -järjestelmän toteuttamaan kuolleen laskennan robottiin, jossa on R/C Servo -differentiaalikäyttö, sijainnin määrittämiseksi kooderipunkkeista.

Vaihe 17: Testaus - Prop Shield -liikeanturit

Varmista, että olet kalibroinut liikeanturit noudattamalla tässä mainittuja vaiheita.

Lataa nyt PropShieldTeensyView.ino. Sinun pitäisi pystyä näkemään Teensyview'n kaikkien kolmen akselin kiihtyvyys-, gyro- ja magnetometriarvot.

Vaihe 18: Ohjelman yleiskatsaus

Edistyneen linjan seuraajan ohjelma on kirjoitettu Arduino IDE: ssä. Ohjelma toimii seuraavassa selitetyssä järjestyksessä.

• EEPROMiin tallennetut arvot luetaan ja valikko näytetään.
• Kun painat LAUNCH, ohjelma siirtyy silmukkaan.
• Normaalit linja -anturin arvot luetaan.
• Linjan sijainnin binaarinen arvo saadaan käyttämällä normalisoituja anturiarvoja.
• Linjan yli olevien antureiden lukumäärä lasketaan linjan sijainnin binaariarvosta.
• Kooderin punkit päivitetään ja kokonaismatka, x-y-koordinaatit ja kulma päivitetään.
• Binäärilukujen eri arvoille välillä 0 - 16 suoritetaan joukko ohjeita. Jos binääriluku on alueella 1-5 ja jos linjan yli olevat anturit ovat vierekkäin, kutsutaan PID -rutiiniksi. Kierto suoritetaan muilla binaariarvon ja binäärilukujen yhdistelmillä.
• PID -rutiinissa (joka on PD -rutiini) moottorit toimivat nopeudella, joka lasketaan virheen, virheen muutoksen, Kp- ja Kd -arvojen perusteella.

Ohjelma ei tällä hetkellä mittaa suunta -arvoja potkurisuojasta. Tämä on työn alla ja sitä päivitetään.

Lataa TestRun20.ino. Seuraavassa vaiheessa, jonka jälkeen testaamme robottiamme, näemme kuinka navigoida valikossa, säätää asetuksia ja kalibroida linja -anturit.

Vaihe 19: Navigointi valikossa ja asetuksissa

Valikossa on seuraavat asetukset, joita voidaan navigoida vasemmalla ja oikealla painikkeella ja valita keskipainikkeella. Asetukset ja niiden toiminnot on kuvattu alla.

1. KALIBROI: Linja -antureiden kalibrointi.
2. TESTI: Näyttää linja -anturien arvot.
3. KÄYNNISTYS: Aloita seuraava rivi.
4. MAX SPEED: Aseta robotin nopeuden yläraja.
5. PYÖRIMISNOPEUS: Robotin nopeuden ylärajan asettaminen, kun se suorittaa käännöksen eli kun molemmat pyörät pyörivät yhtä suurella nopeudella vastakkaisiin suuntiin.
6. KP: Suhteellinen vakio.
7. KD: Johdannaisvakio.
8. RUN MODE: Voit valita kahden toimintatilan välillä - NORMAL ja ACCL. NORMAL -tilassa robotti toimii ennalta määrätyillä nopeuksilla, jotka vastaavat linjan sijainnin arvoja. ACCL -tilassa robotin MAX SPEED korvataan ACCL SPEED -radalla ennalta määrätyissä vaiheissa. Tätä voidaan käyttää nopeuttamaan robottia radan suorilla osilla. Seuraavat asetukset ovat käytettävissä vain, jos RUN MODE on asetettu ACCL.
9. LAP DISTANCE: Kilparadan kokonaispituuden asettaminen.
10. ACCL SPEED: Aseta robotin kiihtyvyys. Tämä nopeus korvaa MAX SPEED -radan eri vaiheissa alla määritellyn mukaisesti.
11. EI. VAIHEISTA: Määritä vaiheiden lukumäärä, joissa ACCL SPEED on käytössä.
12. VAIHE 1: Määritä vaiheen alku- ja loppumatka, jossa MAX SPEED korvataan ACCL SPEED -toiminnolla. Jokaisen vaiheen aloitus- ja lopetusetäisyys voidaan asettaa erikseen.

Vaihe 20: Linja -anturin kalibrointi

Linja -anturin kalibrointi on prosessi, jolla kunkin 16 anturin kynnysarvo määritetään. Tätä kynnysarvoa käytetään päättämään, onko tietty anturi linjan yli vai ei. 16 anturin kynnysarvojen määrittämiseen käytämme jompaakumpaa kahdesta menetelmästä.

MEDIAN FILTER: Tässä menetelmässä linja-anturit asetetaan valkoisen pinnan yläpuolelle ja kaikille 16 anturille otetaan ennalta määritetty lukumäärä anturilukemia. Kaikkien 16 anturin mediaaniarvot määritetään. Sama prosessi toistetaan sen jälkeen, kun linja -anturit on asetettu mustan pinnan päälle. Kynnysarvo on mustavalkoisten pintojen mediaaniarvojen keskiarvo.

MIN MAX: Tässä menetelmässä anturin arvoja luetaan toistuvasti, kunnes käyttäjä pyytää pysäyttämään. Kunkin anturin kohtaamat maksimi- ja minimiarvot tallennetaan. Kynnysarvo on minimi- ja maksimiarvojen keskiarvo.

Näin saadut kynnysarvot kartoitetaan alueelle 0 - 1000.

Linjassa olevien anturien kalibrointi MIN MAX -menetelmällä näkyy videossa. Linja -anturien kalibroinnin jälkeen tiedot voidaan visualisoida kuvan mukaisesti. Seuraavat tiedot näytetään.

• 16-bittinen binäärinen esitys linjan sijainnista, jossa binääri 1 osoittaa, että vastaava linja-anturi on linjan yläpuolella, ja binääri 0, joka osoittaa, että linja-anturi on linjan ulkopuolella.
• Laskenta linjan yli olevien antureiden kokonaismäärästä.
• Minimi-, maksimi- ja anturiarvot (raaka ja normalisoitu) 16 anturista, yksi anturi kerrallaan.
• Linjan sijainti alueella -7500 -+7500.

Linja -anturin minimi- ja maksimiarvot tallennetaan sitten EEPROMiin.

Vaihe 21: Koeajo

Video on koeajosta, jossa robotti on ohjelmoitu pysähtymään yhden kierroksen jälkeen.

Vaihe 22: Viimeiset ajatukset ja parannukset

Ohjelmisto, joka käyttää tätä robottia, ei ole täysin käyttänyt laitteistoa, joka on rakennettu tämän robotin rakentamiseksi. Ohjelmaosassa voisi tehdä paljon parannuksia. Potkurin liiketunnistimia ei tällä hetkellä käytetä sijainnin ja suunnan määrittämiseen. Anturien matkamittaustiedot voidaan yhdistää potkurin suunnan tietoihin, jotta robotin sijainti ja suunta voidaan määrittää tarkasti. Näitä tietoja voidaan sitten käyttää ohjelmoimaan robotti oppimaan radan useilla kierroksilla. Kehotan sinua kokeilemaan tätä osaa ja jakamaan tulokset.

Onnea.

Toinen palkinto robottikilpailussa