Как сделать робота на ардуино

Как сделать робота на ардуино

Машины бывают разные…

Решив приобщить сына к высоким технологиям, подарил ему набор для сборки робота на основе контроллера ARDUINO. Про ARDUINO информации полно в интернете…

Я хочу рассказать про робота и те «особенности», которые мы встретили при его постройке.
Выбор пал на четырехколесный робот. Заказывал на Алиэкспресс в «максимальной» комплектации, с бесплатной доставкой – вышло около 3000 руб.
ru.aliexpress.com/item/Fr…1112132&shopNumber=110055
Судя по описанию из этого набора частей, должно получиться «чудо» способное слушать команды от пульта дистанционного управления, от телефона по блютуз, уметь ездить по полосе и само определять препятствия – с помощью сонара.

Ждал не долго – около 20 дней, но вот пришло не все…

В посылке не хватало двух моторов-редукторов, вместо них был колесо от «тумбочки». Написали поставщику – недостающие детали обещали дослать.
Но это не основание ждать! Руки чешутся!
И так в наличии:
1. Arduino UNO R3.
2. Плата («драйвер») для управления 2-мя DC моторами — L298N Dual H-Bridge Stepper Motor Driver Controller (WB291111).
3. Плата расширения для подключения датчиков и «потребителей» — Arduino sensor shield v5.
4. Ультразвуковой измеритель расстояния HC-SR04 Ultrasonic Module Distance Measuring Sensor.
5. Модуль слежения за полосой с датчикам — 4 x Line inductive module.
6. ИК датчик с пультом — HX1838 Infrared Remote Control Module.
7. Модуль Блютуз — HC-06 wireless Bluetooth.
8. Моторы постоянного тока (DC) с редукторами с вращением в обе стороны –2 шт.
9. Колеса – 2 шт.
10. Сервопривод SG-90 TOWER.
11. Кронштейн для камеры с функцией поворота / наклона платформы.
12. Заготовки для четырехколесной платформы — 4 Wheel Drive Mobile Robot Platform – 2 шт.
13. Пластиковый бокс держатель для 4 батареек типа АА.
14. Пластиковый бокс держатель для батареек типа «Крона».
15. Макетная плата.
16. Тумблер – выключатель питания.
17. Провода для соединения модулей.
18. Крепеж.

Что бы было веселее – в коробке была инструкция по сборке трех колесного шасси – два колеса ведущих и одно подруливающее от «тумбочки». А вот инструкции по установке плат и датчиков, схемы соединения и «скетчей» не было.
Не беда, подумал я. В наш век — Google мне в помощь! А вот тут оказалось все еще «веселее» – несмотря на то, что наборы «выпускаются» не первый год, готового решения нет! С трудом через англоязычный сайт нашел в объявлении о продаже подобного набора со ссылкой на инструкцию – вольный перевод с китайского.
www.dx.com/ru/p/arduino-c…-kits-146418#.VldPetLhCt8
Нашлись и неплохие описания с российских просторов:
tim4dev.com/arduino-instruction-project-robocar4w/
Но полных и «универсальных» ответов, типа «вставь А в Б», «подключи В к Г», «загрузи Д в Е» нет.
Тем более интересней разобраться самому.
Те, кто со мной согласен, дальше не читайте! У вас свой путь «открытий» 🙂
Для всех остальных – начнем с шасси…

Сборка шасси.
Для сборки нам понадобится:
Из набора.
1. Arduino UNO R3.
2. «Драйвер» для управления моторами.
3. Моторы постоянного тока (DC) с редукторами –2 шт.
4. Колеса – 2 шт.
5. Платформа из оргстекла.
6. Пластиковый бокс держатель для 4 батареек типа АА.
7. Пластиковый бокс держатель для батареек типа «Крона».
8. Провода для соединения модулей.
9. Крепеж.
Дополнительно.
1. Выключатель двух полюсной.
2. Изолента и/или термоусадка (для изоляции проводов).
3. Скотч двухсторонний.
4. Винты и гайки 3 мм (в наборе их мало и они короткие).
Инструмент.
1. Дрель.
2. Набор сверл (3 мм, 5 мм).
3. Пассатижи.
4. Отвертка.
5. Ножницы.
6. Паяльник.
7. Олово, канифоль, паяльная кислота.

Изначально шасси должно было быть четырехколесным и полноприводным. Шасси должно состоять из двух пластин из оргстекла, между которыми размещены 4 мотора редуктора и плата «драйвера» управления двигателями.
В моем случае пришлось делать трех колесное шасси – два колеса ведущих и одно подруливающее в «хвосте». Использовал одну пластину шасси.
Учитывая, что отверстия на пластинах шасси для крепления платы ARDUINO и других блоков не предусмотрены — компоновка размещения свободная, поэтому:
1. Размещаем блок ARDUINO так, что к нему мог быть доступ. Особенно важно, чтобы доступ был к разъему USB. Крепление сделал с помощью винтов диаметром 3 мм прикрученных к пластине шасси.

2. Размещаем «драйвер» моторов – его в принципе можно разместить и снизу пластины шасси – как я сделал первоначально (Вариант 1), но из-за особенности работы подруливающего колеса (об этом позже), решил поставить «драйвер» вверху. Крепление так же с помощью винтов прикрученных к пластине шасси.
3. Размещаем элементы/блоки питания. Все зависит от выбранной схемы питания, об этом я напишу ниже. У меня в процессе «эволюции» размещение элементов питании менялось несколько раз (Вариант 1, 2, 3). Для крепления блоков я использовал двухсторонний скотч. За время испытаний такое «крепление» не подвело.
4. Размещаем выключатель питания. Он должен быть в легкодоступном месте. Я поставил сверху – что бы не переворачивать постоянно «роботягу». Если вы как я и будете строить раздельное электропитание — для ARDUINO и электродвигателей, то стандартный выключатель вам не подходит – нужен двухполюсной – что бы одним движением обесточивать обе схемы. Хотя можно и однополюсным – отключать «минус» от обоих схем.

5. Подготавливаем моторы – провода моторов идут в комплекте, но они не припаяны – нужно припаять. Но будьте осторожны! Если контакты моторов перегреть, они расплавят пластмассу – щетки сдвинутся – мотор можно выбросить. Я что бы этого избежать использовал паяльную кислоту. Провода двигателей в наборе очень жесткие, поэтому что бы избежать их обрыва, я примотал их к двигателям изолентой.

Читайте также:  Как лучше хранить тыкву на зиму

Отдельный вопрос – размещение третьего колеса. Не смотря на простоту конструкции и очевидность решения, не все так просто! Собрав Вариант 1 и начав испытания, я не мог заставить робота ехать прямо!

Посчитав, что причина не правильная развесовка – батарейный блок сильно «прижимает» подруливающее колесо, я переместил его на переднюю ось, а так же собрал колесо из «Лего» сына (Вариант 2), что бы уменьшить вес.

В данной статье я хочу описать процесс сборки своего первого робота на ардуино. Материал будет полезен другим таким же новичкам, как и я, которые захотят изготовить какую-нибудь «самобеглую тележку». Статья представляет собой описание этапов работы с моими дополнениями по различным нюансам. Ссылка на итоговый код (скорее всего, не самый идеальный) дана в конце статьи.

По мере возможности я привлекал к участию своего сына (8 лет). Что именно с ним получалось, а что нет — на это я выделил часть статьи, возможно, кому-то пригодится.

Общее описание робота

Вначале несколько слов о самом роботе (идея). Собирать что-то типовое на старте не очень хотелось. В то же время, набор компонентов был довольно стандартным — шасси, двигатели, ультразвуковой датчик, датчик линии, светодиоды, пищалка. Вначале из этого «супового набора» был придуман робот, который охраняет свою территорию. Он едет на нарушителя, который пересек линию круга, а потом возвращается в центр. Однако в этом варианте была нужна прочерченная линия, плюс лишняя математика, чтобы постоянно оставаться в круге.

Поэтому после некоторых обдумываний я несколько изменил идею и решил делать робота-«охотника». На старте он поворачивается вокруг своей оси, выбирая поблизости цель (человека). Если «жертва» обнаружена, «охотник» включает мигалку и сирену, и начинает ехать на нее. Когда человек отходит/отбегает, робот выбирает новую цель и преследует ее, и так далее. Такому роботу не нужен ограниченный круг, и он может работать на открытой территории.

Как видите, это во многом напоминает игру «догонялки». Хотя в итоге робот и не получился достаточно резвым, но он честно взаимодействует с окружающими его людьми. Особенно это нравится детям (иногда, правда, кажется, что они вот-вот растопчут его, аж сердце ёкает. ). Думаю, для популяризации технического конструирования это хорошее решение.

Структура робота

Итак, мы определились с идеей, перейдем к компоновке. Список элементов формируется из того, что должен уметь робот. Тут всё вполне очевидно, поэтому сразу посмотрим на нумерацию:

«Мозги» робота — плата arduino uno (1); была в заказанном из Китая наборе. Для наших целей ее вполне хватает (ориентируемся на количество используемых пинов). Из этого же набора мы взяли готовое шасси (2), на которое крепятся два ведущих колеса (3) и одно заднее (свободно вращающееся) (4). Также в наборе был готовый батарейный отсек (5). Спереди у робота стоит ультразвуковой датчик (HC-SR04) (6), сзади — драйвер двигателей (L298N) (7), по центру — светодиод-мигалка (8), и чуть в стороне — пищалка (9).

На этапе компоновки мы смотрим:

— чтобы все влезло
— чтобы было сбалансировано
— чтобы было рационально размещено

Частично это уже сделали за нас китайские коллеги. Так, тяжелый батарейный отсек поставлен в центр, и примерно под ним стоят ведущие колеса. Все остальные платы легкие, их можно размещать по периферии.

  1. В шасси из набора есть много заводских отверстий, но какая в них логика — я так и не разобрался. Двигатели и аккумуляторный блок закрепились без проблем, дальше началась «подгонка» со сверлением новых отверстий, чтобы закрепить ту или иную плату.
  2. Весьма выручили латунные стойки и прочий крепеж из запасников (иногда приходилось выкручиваться).
  3. Шины от каждой платы пропускал через зажимы (опять же нашел в запасниках). Весьма удобно, все провода лежат красиво и не болтаются.

Отдельные блоки

Теперь пройдусь по блокам и расскажу персонально про каждый.

Понятно, что робот должен иметь хороший источник энергии. Варианты могут быть разные, я выбрал вариант с 4 аккумуляторами АА. В сумме они дают примерно 5 В, и такое напряжение можно прямо подать на пин 5V платы arduino (минуя стабилизатор).

Некоторая настороженность, конечно, у меня была, но это решение вполне работоспособно.

Так как питание нужно везде, то для удобства я сделал по центру робота два разъема: один «раздает» землю (справа), а второй — 5 В (слева).

Двигатели и драйвер

Сначала про крепление двигателей. Крепление заводское, но сделано с большими допусками. Другими словами, двигатели могут «вихлять» на пару миллиметров влево-вправо. Для нашей задачи это не критично, а вот где-то может и влиять (робота начнет уводить в сторону). На всякий случай я выставил двигатели строго параллельно и зафиксировал клеем.

Для управления двигателями, как я писал выше, используется драйвер L298N. По документации у него три пина на каждый двигатель: один для изменения скорости и пара пинов для направления вращения. Тут есть один важный момент. Оказывается, если напряжение питания 5 В, то регулировка скорости просто не работает! То есть либо совсем не крутит, либо крутит по максимуму. Вот такая особенность, из-за которой я «убил» пару вечеров. В конце концов, нашел упоминание где-то на одном из форумов.

Вообще говоря, низкая скорость вращения мне требовалась при развороте робота — чтобы он имел запас времени просканировать пространство. Но, так как с такой задумкой ничего не вышло, пришлось делать по другому: небольшой поворот — остановка — поворот — остановка и т. д. Опять же, не столь изящно, но работоспособно.

Еще здесь добавлю, что после каждого преследования робот выбирает случайное направление нового поворота (по или против часовой стрелки).

Читайте также:  Как отшлифовать дрелью дерево

Еще одна железяка, где пришлось искать компромиссное решение. Ультразвуковой датчик на реальных препятствиях дает нестабильные цифры. Собственно, это было ожидаемо. Идеально он работает где-нибудь на соревнованиях, где есть гладкие, ровные и перпендикулярные поверхности, а вот если перед ним «мелькают» чьи-то ноги — тут нужно вводить дополнительную обработку.

В качестве такой обработки я поставил медианный фильтр на три отсчета. Исходя из тестов на реальных детях (во время тестов ни один ребенок не пострадал!), его оказалось вполне достаточно для нормализации данных. Физика здесь простая: у нас есть сигналы, отраженные от нужных объектов (дающие требуемое расстояние) и отраженные от более далеких, например, стен. Вторые представляют собой случайные выбросы в измерениях вида 45, 46, 230, 46, 46, 45, 45, 310, 46… Именно их медианный фильтр и отсекает.

После всей обработки у нас получается расстояние до ближайшего объекта. Если оно меньше некоторой пороговой величины — тогда мы включаем сигнализацию и едем прямо на «нарушителя».

Мигалка и сирена

Пожалуй, самые простые элементы из всего перечисленного. Их видно на фотографиях выше. По железу здесь писать нечего, поэтому теперь перейдем к коду.

Программа управления

Расписывать детально код я смысла не вижу, кому нужно — ссылка в конце статьи, там всё достаточно читабельно. А вот общую структуру было бы неплохо объяснить.

Первое, что пришлось осмыслить: робот — это устройство реального времени. Точнее, вспомнить, потому что и раньше, и сейчас все равно занимаюсь электроникой. Значит, сразу забываем про вызов delay(), который очень любят использовать в скетчах-примерах, и который просто «замораживает» программу на указанный промежуток времени. Вместо этого, как советуют опытные люди, вводим таймеры на каждый блок. Прошел требуемый промежуток — выполнили действие (увеличили яркость светодиода, включили двигатель и так далее).

Таймеры могут быть взаимосвязаны. Так, например, пищалка работает синхронно с мигалкой. Это чуть упрощает программу.

Естественно, всё разбиваем на отдельные функции (мигалка, звук, поворот, движение вперед и так далее). Если так не делать, то потом уже не разобраться, что откуда и куда.

Нюансы педагогики

Все, что было описано выше, я делал в свободное время по вечерам. В неспешном режиме я потратил на робота где-то недели три. На этом можно было бы и завершиться, но я еще обещал вам рассказать о работе с ребенком. Что выполнимо в таком возрасте?

Работа по инструкции

Каждую деталь мы сначала проверяли отдельно — светодиоды, пищалка, моторы, датчики и т. д. Есть большое количество готовых примеров — какие-то прямо в среде разработки, другие можно найти в интернете. Это, несомненно, радует. Берем код, подключаем деталь, убеждаемся, что работает, далее уже начинаем изменять под свою задачу. Подключения по схеме и под некоторым моим контролем ребенок делает сам. Это хорошо. Работать четко по инструкции тоже надо уметь.

Порядок работы («от частного к общему»)

Вот это сложный пункт. Нужно приучать, что большой проект («сделать робота») состоит из мелких задач («подключить датчик», «подключить моторы». ), а те, в свою очередь, из еще более мелких шагов («найти программу», «подключить плату», «загрузить прошивку». ). Выполняя более-менее понятные задачи нижнего уровня, мы «закрываем» задачи среднего уровня, а из них уже складывается общий результат. Объяснял, но, думаю, осознание придет еще не скоро. Где-то, наверное, к подростковому возрасту.

Сверление, резьбы, винты, гайки, пайка и запах канифоли — куда же без этого. Ребенок получил базовый скилл «Работа с паяльником» — удалось спаять несколько соединений (я чуть-чуть помогал, не скрою). Не забывайте про объяснение техники безопасности.

Работа на компьютере

Программу для робота писал я, но каких-то попутных результатов все-таки удалось достичь.

Первое: английский. В школе его только-только начали, поэтому мы «со скрипом» разбирали, что такое pishalka, migalka, yarkost и прочий транслит. Поняли хотя бы это. Я осознанно не стал использовать родные английские слова, так как до этого уровня мы еще не дошли.

Второе: эффективная работа. Учили горячие комбинации клавиш, как быстро выполнять типовые операции. Периодически, когда писали программу, мы менялись с сыном местами, и я говорил, что нужно сделать (замену, поиск и т.д.). Приходилось повторять снова и снова: «выдели двойным кликом», «зажми Shift», «зажми Ctrl» и так далее. Процесс обучения здесь не быстрый, но, я думаю, навыки постепенно отложатся «в подкорку».

Третье: слепая печать. Комментарии в коде я доверил печатать ребенку (пусть тренируется). Сразу поставили правильно руки, чтобы пальцы постепенно запоминали расположение клавиш.

Как видите, у нас все еще только-только начинается. Навыки и знания будем оттачивать и дальше, в жизни пригодятся.

Кстати, про перспективу…

Дальнейшее развитие

Робот сделан, ездит, мигает и пищит. Что же теперь? Воодушевившись достигнутым, мы планируем дорабатывать его дальше. Есть задумка сделать дистанционное управление — по типу лунохода. Было бы интересно, сидя за условным пультом, контролировать движение робота, который ездит совсем в другом месте. Но это уже будет отдельная история…

И в конце, собственно, герои этой статьи (видео по клику):

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.

Читайте также:  Барбекю для летней кухни своими руками

Робот на ардуино своими руками

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.

Робот машина на Ардуино

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.

Двигатель, шасси и колеса машинки на ардуино

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 драйверам, построенным на схеме H-моста. 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.

Питание робота

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.

Питание робота на Ардуино

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.

Ссылка на основную публикацию
Как сделать поддувало в железной печке
Печные приборы Печные приборы — дверки, бачки для воды, колосниковые решетки, заслонки, вьюшки и задвижки — выполняют в основном из...
Как сделать навесной столик откидной
Для решения проблем ограниченного свободного пространства и увеличения его функциональности в небольшой квартире, многие владельцы изготавливают откидной стол своими руками....
Как сделать накидки на стулья своими руками
Тщательно подобранные чехлы для стульев являются важным элементом дизайна жилых комнат и других помещений. Необходимо со всей ответственностью подойти к...
Как сделать поделку дуб
Поделка «У Лукоморья дуб зеленый» — это объемная композиция по известным строкам А.С. Пушкина, которую можно сделать вместе с детьми...
Adblock detector