Itsetasapainottava robotti: 6 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Tässä Instructable-ohjelmassa näytämme sinulle, kuinka rakentaa itsetasapainottava robotti, jonka teimme kouluprojektina. Se perustuu joihinkin muihin robotteihin, kuten nBot ja toinen Instructable. Robottia voidaan ohjata Android -älypuhelimesta Bluetooth -yhteyden kautta. Koska tämä opas kattaa vain rakennusprosessin, olemme myös kirjoittaneet asiakirjan, joka kattaa koodin ja elektroniikan teknisen taustan. Se sisältää myös linkkejä käytettyihin lähteisiin, joten voit katsoa niitä, jos asiakirja ei ole tarpeeksi kattava sinulle.

Tämän projektin kaikkien vaiheiden noudattamiseksi tarvitset joitain 3D -tulostustaitoja tai jotain muuta taitavaa tapaa kiinnittää pyörät moottoreihin.

Vaihe 1: Vaatimukset

Robotti perustuu Martinezin harjaton gimbal -ohjainkorttiin. Tässä kortissa on joitain pieniä muunnelmia, mutta niin kauan kuin sinulla on ATmega328 -siru ja L6234 -moottorinohjaimet, sinun pitäisi olla kunnossa. Jos etsit Google -kuvista "Martinez -korttia", näet joitain tauluja, joissa on helppo liitin IMU -sirulle ja/tai akulle nastaotsikoiden tai reikien sijaan. Viimeisessä tapauksessa siitä on hyötyä, jos tilaat pakkauksen otsikkotappeja, jotka voit sitten juottaa reikiin.

Osa lista

Jotkut tämän luettelon kohteista sisältävät linkkejä verkkokauppoihin.

• Ohjain: Martinez BoardDX.com (toimitetaan myös IMU: n ja joidenkin ylätunnistimien kanssa).
• IMU: MPU6050
• Akku (450 mAh 3S LiPo -akku) Huomaa: tarvitset myös 3S LiPo -laturin eBay.com
• 2x moottori: Harjaton moottori 2208, KV100DX.com
• Pyörät (saat ne olemassa olevista leluista tai LEGOsta)
• 6x M2 ruuvi 5 mm
• 8x M3 -ruuvi (pituus riippuu ulkomateriaalista, sen on oltava erityisen pitkä)
• Bluetooth-siru HC-05 (muista hankkia sellainen, johon on liitetty sarjaliitäntäkortti, ei pelkkä siru) TÄRKEÄÄ: Varmista, että sirussa on nasta KEY.
• Johdot: Naaras -naaras DuPont 20 johdon paketin ostaminen riittää
• Tarranauha
• USB -kaapeli ohjaimen liittämiseen tietokoneeseen
• Valinnainen: Otsikon nastatDX.com (voit leikata tai katkaista ne haluttuun pituuteen)
• Muoviset aluslevyt ja välikappaleet

Lopuksi tarvitset akryylia, puuta tai pahvia liiman tai teipin mukana rakenteen luomiseksi, joka pitää kaikki komponentit.

Vaihe 2: Bluetooth -sirun määritys

Kun saat käsiin kaikki osat, on aika määrittää Bluetooth -siru. Tarvitset USB -kaapelin ohjainkortin liittämiseksi tietokoneeseen sekä Arduino IDE: n kommunikoimiseen komponenttien kanssa.

Tätä varten sinun on ladattava tiedosto:

HC-05_Serial_Interface.ino

Noudata sitten näitä ohjeita:

1. Liitä ohjain tietokoneeseen USB -kaapelilla.
2. Avaa.ino -tiedosto Arduino IDE: llä.
3. Siirry IDE: ssä kohtaan Työkalut, Hallitus ja varmista, että sen asetuksena on Arduino/Genuino Uno.
4. Siirry nyt kohtaan Työkalut, Portti ja aseta se COM -porttiin, johon ohjain on kytketty. Yleensä on vain yksi portti. Jos niitä on useita, tarkista Laitehallinnasta (Windows), mikä niistä on ohjain.
5. Napsauta nyt Lataa -painiketta IDE: ssä ja odota latauksen päättymistä. Irrota sitten USB -kaapeli tietokoneesta tai ohjaimesta.

Kun olet tehnyt tämän, liitä HC-05 DuPont-kaapeleilla seuraavasti:

HC-05-ohjain

AVAIN +5V GND GND TXD RX RXD TX

Liitä nyt USB-kaapeli uudelleen ja kytke sitten HC-05: n VCC-nasta toiseen +5 V: n säätimeen. LED -valon pitäisi vilkkua ~ 1 sekunnin välein.

Valitse Arduino IDE: stä oikea COM -portti ja siirry sitten Työkalut, sarjamittari.

Aseta sarjamonitorin rivin päättymisasetukseksi sekä NL että CR. Aseta tiedonsiirtonopeudeksi 38400. Nyt voit käyttää sarjamonitoria lähettääksesi komentoja Bluetooth -sirulle. Nämä ovat komentoja:

AT Tarkista liitäntä

AT+NAME Hae/aseta Bluetooth -näyttönimi AT+UART Hae/aseta siirtonopeus AT+ORGL Palauta tehdasasetukset AT+PSWD Hae/aseta Bluetooth -salasana

Jos haluat muuttaa Bluetooth -laitteen nimen, salasanan ja siirtonopeuden, lähetä seuraavat komennot:

AT+NAME = "Esimerkin nimi"

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

Nimi- ja salasanavaihtoehdot voidaan asettaa haluamillesi asetuksille. Varmista, että asetat baudinopeuden täsmälleen samalla komennolla kuin yllä. Tämä asettaa sen 230400 baudiin, 1 pysäytysbitin ilman pariteettia. Kun olet määrittänyt kaikki asetukset, kytke USB -kaapeli uudelleen (poistuaksesi asennustilasta) ja yritä yhdistää puhelimesi siruun. Jos kaikki toimii, irrota USB -kaapeli ja siirry seuraavaan vaiheeseen.

Vaihe 3: Pyörien kiinnitys moottoreihin

Tässä projektissa käytettyjen pyörien alkuperä on tuntematon (ne makasivat laatikossa paljon muuta tavaraa). Pyörien kiinnittämiseksi moottoreihin 3D -tulostimme kappaleen, joka vastasi moottorien ruuvinreikiä. Kappaleet ruuvattiin kiinni kolmella 5 millimetrin 2M ruuvilla moottoria kohden. Molemmissa kappaleissa on tappi, joka sopii pyörien akseleiden reikiin.

Mukana on SolidWorks -malli. Sinun on luultavasti muokattava sitä pyörillesi tai löydettävä erilainen käytännöllinen ratkaisu pyörien asentamiseksi. Voit esimerkiksi veistää Dremelin avulla saman kokoisen reiän kuin moottori (tai hiukan pienemmän, jotta se istuu tiukasti), ja voit sitten painaa moottorin pyörään. Hanki vain sopivat pyörät tähän työhön, jos aiot tehdä tämän.

Vaihe 4: Ulkopuolen luominen

Ulkopuolella käytettiin kahta puuta ja leikattiin samaan muotoon. Aluksi merkitsimme moottorin kehän kappaleen alareunaan. Merkitsimme sitten jokaisen kulman 45 asteen viivalla varmistaen, että jätämme tarpeeksi tilaa moottorille istua alareunassa. Puristimme sitten kaksi puukappaletta yhteen ja sahattiin kulmat pois. Viimeistelemään asiat hioimme kulmat, jotta ne olisivat vähemmän teräviä ja poistimme sirut.

Nyt on aika porata reikiä ruuveille ja moottorin selästä pullistuvalle akselille. Jos puristat puukappaleet yhteen poratessasi, sinun on porattava jokainen reikä vain kerran.

Luodaksemme ruuvinreikien asettelun käytimme paperia ja asetimme sen moottorin takaosaan ja painoimme kynällä ruuvinreikiin suoraan paperin läpi. Paperi, jossa oli neljä ruuvinreikää, asetettiin sitten puulle, jotta voimme merkitä porattavien reikien sijainnin. Poraa reiät käyttämällä 3,5 mm poraa. Käytä nyt lyijykynää ja viivoitinta löytääksesi näiden reikien keskipiste ja luo reikä akselille 5 mm: n poralla. Kiinnitä moottorit M3 -ruuveilla, mutta jätä yksi leveämmistä ruuveista pois moottorista.

Saadaksemme moottorin liittimen ja johtimen robotin sisään porasimme myös 8 mm: n reiän hieman moottorin yläpuolelle. Varmista, että johdoissa on tarpeeksi tilaa taipua ilman, että ne rasittavat liikaa.

On tärkeää työskennellä mahdollisimman tarkasti (lähes) täydellisen symmetrisen ulkopinnan luomiseksi

Vaihe 5: Komponenttien asentaminen

Merkitse pystysuora keskiviiva puuhun, jotta voit sijoittaa komponentit keskelle. Voit kiinnittää kaiken puuhun tarranauhalla. Robotissamme käytimme pieniä ruuveja ja muttereita ohjainkortin kiinnittämiseen, mutta voit käyttää myös tarranauhaa (meillä ei ollut sitä vielä silloin, kun kiinnitimme ohjaimen). Varmista, että voit liittää USB -kaapelin rakentamisen jälkeen.

Asetimme ohjaimen keskelle USB -portti alaspäin, jotta voisimme liittää kaapelin pyörien välistä. Voit myös osoittaa sen yhdelle puolelle.

Aseta akku mahdollisimman korkealle, jotta robotista tulee erittäin raskas. Aseta latausportti myös helposti saavutettavaan paikkaan reunan lähelle.

Bluetooth -siru

Kytke Bluetooth -sirun VCC -nasta ohjaimen +5 V: een ja Bluetooth GND ohjaimen GND: hen. Ohjaimen TXD -nasta menee Bluetooth RX: ään ja ohjaimen RXD -nasta menee Bluetooth TX -tapaan. Kiinnitä sitten Bluetooth -siru johonkin puupaneeliin tarranauhalla.

Motion Chip

Liikepiirissä on kaksi ruuvinreikää, joten kiinnitimme sirun välikappaleella siten, että sirun keskipiste putoaa moottorin keskipisteen päälle. Suunnalla ei ole väliä, koska robotti kalibroi itsensä käynnistyksen yhteydessä. Muista käyttää muovialuslevyä ruuvin pään alla, jotta piiri ei oikosulje.

Liitä sitten nastat ohjaimeen DuPont -johdoilla. Jokainen tappi on merkitty ohjaimessa samaan kuin liikepiiriin, joten sen liittäminen on melko itsestään selvää.

Virtakytkin

Virtakytkimen liittäminen on helppoa. Otimme yhden vanhasta laitteesta ja irrotimme sen piirilevystä. Jos haluat käyttää sitä robotin virtakytkimenä, kytke akun positiivinen johto nastaan (olettaen, että se on kolminapainen kytkin) sivulla, johon haluat asettaa kytkimen päälle. Liitä sitten keskitappi ohjaimen positiiviseen virtatuloon. Juotimme DuPont -johdot kytkimeen, jotta itse akku ei ole pysyvästi kiinni kytkimessä.

Sivujen yhdistäminen

Nyt tiedät komponenttien sijainnin ja sinulla on robotin kaksi puolta. Robotin rakentamisen viimeinen vaihe on kahden sivun yhdistäminen toisiinsa. käytimme neljää sarjaa kolmesta puukappaleesta, jotka oli liimattu yhteen ja ruuvattiin se sivuille niin, että liikelastu oli robotin keskiakselilla. On sanottava, että käytetyllä materiaalilla, jos se on riittävän vahvaa, ei ole liikaa väliä. Voit jopa käyttää raskaampaa liitäntää yläosassa lisätäksesi keskipisteen korkeutta entisestään. Mutta toisin kuin massakeskipisteen pystysuorassa asennossa, massakeskipisteen vaakasijainti on pidettävä mahdollisimman paljon paikallaan pyörän akselin yläpuolella, koska liikesirun koodin koodaaminen muuttuisi melko vaikeaksi, jos vaakasuora keskipiste olisi siirtymään joutuneesta massasta.

Nyt olet valmis lataamaan koodin ja säätämään ohjaimen.

Vaihe 6: Koodin lataaminen ja virittäminen

Koodin lataamiseen tarvitset tietokoneen, jossa on Arduino IDE. Lataa alla oleva.ino -tiedosto ja avaa se Arduino IDE: llä. Sen lataaminen ohjaimeen tapahtuu samalla tavalla kuin Bluetooth -asennuksen koodilla.

Jotta robotti toimisi, sinun on ladattava sovellus”Joystick bluetooth Commander” Play Kaupasta. Kytke robotin virta päälle ja aseta se lattialle joko sen eteen tai taakse. Käynnistä sovellus ja muodosta yhteys Bluetooth -siruun. Tietokenttä 1 siirtyy arvosta XXX tilaan VALMIS, kun robotti on kalibroinut itsensä (5 sekuntia sen asettamiseksi kyljelleen, jota seuraa 10 sekunnin kalibrointi). Voit käynnistää robotin vaihtamalla sovelluksen painiketta 1. Aseta robotti pystysuoraan maahan ja päästä irti, kun tunnet moottorien käynnistyvän. Tällöin robotti alkaa tasapainottaa itseään.

Robotti on nyt valmis viritettäväksi, koska sen vakaus ei todennäköisesti ole hyvä. Voit kokeilla, toimiiko se ilman ylimääräistä viritystä, mutta sinun on tehtävä robotista aika identtinen, jotta se toimisi kunnolla. Joten useimmissa tapauksissa sinun pitäisi virittää ohjain toimimaan parhaiten robotin kanssa. Se on melko helppoa, vaikka se vie paljon aikaa. Voit tehdä sen seuraavasti:

Säätimen viritys

Jossain koodissa on 4 muuttujaa, jotka alkavat k: lla. Nämä ovat kp, kd, kc ja kv. Aloita asettamalla kaikki arvot nollaan. Ensimmäinen asetettava arvo on kp. Oletusarvo kp on 0,17. Kokeile asettaa se paljon pienemmäksi, kuten 0,05. Sammuta robotti, lataa koodi ja katso kuinka se yrittää tasapainottaa. Jos se putoaa eteenpäin, lisää arvoa. Älykkäin tapa tehdä tämä on interpoloimalla:

1. Aseta arvo pieneksi ja kokeile sitä
2. Aseta arvo johonkin korkeaan ja kokeile sitä
3. Aseta arvo kahden keskiarvoon ja kokeile sitä
4. Yritä nyt selvittää, onko se tasapainossa paremmin matalan tai korkean arvon kanssa ja keskiarvo nykyinen arvo ja se, jolla se toimi paremmin.
5. Jatka, kunnes löydät makean paikan

Kp-arvon makea paikka on, kun se on ali- ja ylikompensoinnin reunalla. Joten joskus se putoaa eteenpäin, koska se ei voi pysyä putoamisnopeudessaan, ja toisinaan se putoaa taaksepäin, koska se ylittää toisen suunnan.

Kun olet asettanut kp -arvon, aseta kd. Tämä voidaan tehdä samalla tavalla kuin kp: llä. Lisää tätä arvoa, kunnes robotti on lähes tasapainossa, jotta se heiluu edestakaisin, kunnes se kaatuu. Jos asetat sen liian korkealle, voit saada sen tasapainoon jo melko siististi, mutta kun tasapaino häiriintyy liikaa, se kaatuu (kuten kun painat sitä). Joten yritä löytää paikka, jossa se ei ole aivan tasapainoinen, mutta melko lähellä.

Kuten arvata saattaa, ohjaimen virittäminen voi kestää useita yrityksiä, koska se muuttuu vaikeammaksi jokaisen uuden muuttujan käyttöönoton yhteydessä. Joten jos luulet, ettei se onnistu, aloita alusta.

Nyt on aika asettaa kv. Interpoloi tätä, kunnes löydät arvon, jolla robotti lakkaa heilahtamasta, pysyy tasapainossa ja pystyy käsittelemään kevyttä työntöä. Liian korkeaksi asetettu vaikuttaa haitallisesti vakauteen. Kokeile pelaamista kv: llä ja kp: llä löytääksesi piste, jossa se on vakain. Tämä on virittämisen aikaa vievin vaihe.

Viimeinen arvo on kc. Tämä arvo saa robotin palaamaan viimeiseen asentoonsa, kun se on kompensoinut työntöä tai jotain muuta. Voit kokeilla samaa interpolointimenetelmää täällä, mutta 0,0002: n pitäisi toimia melko hyvin useimmissa tapauksissa.

Se siitä! Robotti on nyt valmis. Käytä älypuhelimen ohjaussauvaa robotin ohjaamiseen. Varo kuitenkin, että eteenpäin meneminen suurimmalla nopeudella voi silti saada robotin kaatumaan. Pelaa säätimen muuttujien kanssa kompensoidaksesi tämän mahdollisimman paljon. Loogisin vaihe olisi katsoa tämän kp -arvoa, koska se kompensoi suoraan robotin nykyisen kulman.

Tärkeä huomautus LiPo -akuista

On suositeltavaa tarkistaa säännöllisesti LiPo -akun jännite. LiPo-akkuja ei saa purkaa alle 3 volttiin kennoa kohti, mitaten 9 volttia 3S LiPo -laitteessa. Jos jännite laskee alle 3 voltin kennoa kohden, akun kapasiteetti heikkenee pysyvästi. Jos jännite laskee alle 2,5 volttia kennoa kohden, hävitä akku ja osta uusi..