Robot autoequilibrant: 6 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

En aquest instructiu us mostrarem com construir el robot d’autoequilibri que vam fer com a projecte escolar. Es basa en altres robots, com ara el nBot i un altre instructable. El robot es pot controlar des d’un telèfon intel·ligent Android mitjançant una connexió Bluetooth. Com que aquest instructiu només cobreix el procés de construcció, també hem escrit un document per cobrir els antecedents tècnics del codi i de l'electrònica. També conté enllaços a les fonts que s’han utilitzat, de manera que podeu fer-hi un cop d’ull si el document no us és prou complet.

Per seguir tots els passos d’aquest projecte, necessitareu algunes habilitats d’impressió 3D o una altra manera intel·ligent d’enganxar les rodes als motors.

Pas 1: requisits

El robot es basa en una placa de control de cardan sense escombretes Martinez. Hi ha algunes lleugeres variacions d'aquesta placa, però sempre que en tingueu una amb un xip ATmega328 i controladors de motor L6234, hauríeu d'estar bé. Si cerqueu la "placa Martinez" a Google Images, veureu que hi ha algunes plaques amb un connector fàcil per al xip i / o la bateria IMU, en lloc de capçaleres de pin o forats. En el darrer cas, serà útil si demaneu un paquet de passadors de capçalera que pugueu soldar als forats.

Llista de parts

Alguns dels elements d’aquesta llista contenen enllaços a botigues en línia.

• Controlador: Martinez BoardDX.com (també inclou l'IMU i alguns pins de capçalera).
• IMU: MPU6050
• Bateria (bateria LiPo 3S de 450 mAh) Nota: també necessitareu un carregador LiPo 3S eBay.com
• Motor 2x: motor sense escombretes 2208, KV100DX.com
• Rodes (podeu obtenir-les de joguines o LEGO existents)
• Cargol 6x M2 de 5 mm
• Cargol M3 de 8x (la longitud depèn del material de l'exterior, cal que sigui molt llarg)
• Xip Bluetooth HC-05 (assegureu-vos de tenir-ne un amb una placa d’interfície sèrie connectada, no només un xip nu) IMPORTANT: assegureu-vos que el xip tingui un pin etiquetat com a CLAU.
• Cables: DuPont de dona a dona: comprar un paquet de 20 cables serà més que suficient
• Cinta de velcro
• Cable USB per connectar el controlador al PC
• Opcional: pins de capçalera DX.com (podeu tallar-los o trencar-los a la longitud desitjada)
• Rentadores i separadors de plàstic

Finalment, necessiteu acrílic, fusta o cartró, acompanyat de cola o cinta adhesiva, per crear una estructura que contingui tots els components.

Pas 2: Configuració del xip Bluetooth

Un cop heu comprovat totes les parts, és hora de configurar el xip Bluetooth. Necessitareu un cable USB per connectar la placa del controlador a l’ordinador, així com l’IDE Arduino per comunicar-vos amb els components.

Per a això, haureu de descarregar el fitxer:

HC-05_Serial_Interface.ino

A continuació, seguiu aquests passos:

1. Connecteu el controlador a l'ordinador amb un cable USB.
2. Obriu el fitxer.ino amb l'IDE Arduino.
3. A l’IDE, aneu a Eines, Tauler i assegureu-vos que estigui configurat a Arduino / Genuino Uno.
4. Ara aneu a Eines, port i configureu-lo al port COM al qual està connectat el controlador. Normalment només hi ha un port. Si n’hi ha diversos, consulteu el Gestor de dispositius (a Windows) per saber quin és el controlador.
5. Ara, premeu el botó Puja de l'IDE i espereu a que finalitzi la càrrega. A continuació, desconnecteu el cable USB de l'ordinador o del controlador.

Un cop fet això, connecteu l'HC-05 mitjançant cables DuPont de la següent manera:

Controlador HC-05

CLAU + 5V GND GND TXD RX RXD TX

Ara torneu a connectar el cable USB i, a continuació, connecteu el pin VCC de l’HC-05 a un altre + 5V del controlador. El LED hauria de parpellejar amb un interval de ~ 1 segon.

A l’IDE Arduino, seleccioneu el port COM correcte i aneu a Eines, Monitor de sèrie.

Establiu l'opció Final de línia al monitor sèrie a Tant NL com CR. Establiu la velocitat de transmissió en 38400. Ara podeu utilitzar el monitor sèrie per enviar ordres de configuració al xip Bluetooth. Aquestes són les ordres:

AT Comproveu la connexió

AT + NAME Obtenció / configuració del nom de visualització Bluetooth AT + UART Obtenció / configuració de la velocitat de transmissió AT + ORGL Restabliment dels valors predeterminats de fàbrica AT + PSWD Obtenció / configuració de la contrasenya Bluetooth

Per canviar el nom, la contrasenya i la velocitat de transmissió del dispositiu Bluetooth, envieu les ordres següents:

AT + NAME = "Nom de l'exemple"

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

Les opcions de nom i contrasenya es poden configurar com vulgueu, només cal que assegureu-vos d’establir la velocitat de transmissió mitjançant la mateixa comanda que es mostra a la llista anterior. Això l'estableix a 230.400 baud, amb 1 bit d'aturada i sense paritat. Després de configurar-ho tot, torneu a connectar el cable USB (per sortir del mode de configuració) i proveu d’aparellar el telèfon amb el xip. Si tot funciona, desconnecteu el cable USB i passeu al següent pas.

Pas 3: fixació de les rodes als motors

Les rodes que es van utilitzar en aquest projecte tenen un origen desconegut (estaven posades en un calaix amb moltes altres coses). Per fixar les rodes als motors, vam imprimir en 3D una peça que coincidia amb els forats del cargol dels motors. Les peces es van cargolar mitjançant tres cargols 2M de 5 mil·límetres per motor. Les dues peces tenen un passador que s’adapta als forats dels eixos de les rodes.

S'inclou el model SolidWorks. Probablement l’haureu de modificar per a les rodes o trobar una solució pràctica diferent per adaptar-les a les rodes. Per exemple, podeu utilitzar un Dremel per esculpir un forat de la mateixa mida que el motor (o una mica més petit per donar-li un ajust ajustat) i, a continuació, podeu prémer el motor a la roda. Assegureu-vos d’obtenir les rodes adequades per a aquesta feina si teniu previst fer-ho.

Pas 4: Creació de l'exterior

Per a l'exterior, es van utilitzar dues peces de fusta i es van tallar amb la mateixa forma. Per començar, vam marcar la circumferència del motor al centre inferior de la peça. Després vam marcar cada cantonada amb una línia de 45 graus, assegurant-nos de deixar prou espai perquè el motor pogués seure al centre inferior. A continuació, vam fixar els dos trossos de fusta i vam serrar les cantonades. Per acabar les coses, vam lijar les cantonades per fer-les menys nítides i eliminar les estelles.

Ara és hora de perforar els cargols i l’eix que surt de la part posterior del motor. Si subjecteu els trossos de fusta al perforar, només haureu de perforar cada forat una vegada.

Per crear la disposició dels forats del cargol, hem utilitzat un tros de paper, el hem col·locat a la part posterior del motor i hem utilitzat un llapis per prémer els forats del cargol, a través del paper. A continuació, es va col·locar el tros de paper amb els quatre forats de cargol sobre la fusta per poder marcar la ubicació dels forats que s’haurien de perforar. Per perforar els forats, utilitzeu un trepant de 3, 5 mm. Ara, utilitzeu un llapis i una regla per trobar el centre d’aquests forats i creeu el forat per a l’eix mitjançant un trepant de 5 mm. Connecteu els motors amb cargols M3, però deixeu un dels cargols espaiats més amplis d'un motor.

Per obtenir el connector i el cable del motor a l'interior del robot, també hem forat un forat de 8 mm una mica per sobre del motor. Assegureu-vos que hi hagi prou espai perquè els cables es plegin sense estressar-los massa.

És important treballar el més precís possible per crear un exterior simètric (gairebé) perfecte

Pas 5: ajustar els components

Marqueu una directriu central vertical sobre la fusta perquè pugueu col·locar els components al centre. Podeu fixar-ho tot a la fusta amb cinta de velcro. Al nostre robot hem utilitzat cargols i femelles petites per assegurar la placa del controlador, però també es pot utilitzar cinta de velcro (encara no la teníem en el moment en què vam connectar el controlador). Assegureu-vos que podeu connectar un cable USB després d’acabar la construcció.

Vam col·locar el controlador al centre amb el port USB apuntant cap avall per poder endollar el cable entre les rodes. També podeu assenyalar-lo cap a un dels costats.

Col·loqueu la bateria el més alta possible per tal que el robot es faci pesat. Col·loqueu també el port de càrrega en un lloc fàcil d’accedir a prop de la vora.

Xip Bluetooth

Connecteu el pin VCC del xip Bluetooth a + 5V del controlador i el Bluetooth GND al GND del controlador. El pin TXD del controlador passa al Bluetooth RX i el pin RXD del controlador passa al pin Bluetooth TX. A continuació, només cal enganxar el xip Bluetooth en algun lloc del tauler de fusta amb cinta de velcro.

Motion Xip

El xip de moviment té dos forats de cargol, de manera que hem fixat el xip amb un espaiador, de manera que el centre del xip caigui sobre el centre del motor. L’orientació no importa, ja que el robot es calibra en arrencar. Assegureu-vos d’utilitzar una rentadora de plàstic sota el cap del cargol per evitar un curtcircuit del circuit.

A continuació, utilitzeu cables DuPont per connectar els pins al controlador. Cada pin té l'etiqueta igual al controlador que al xip de moviment, de manera que connectar-lo s'explica per si mateix.

Interruptor d'alimentació

Connectar un interruptor d’alimentació és fàcil. Vam agafar-ne un d’un dispositiu antic i el vam dessoldar de la seva placa de circuit. Per utilitzar-lo com a interruptor d’alimentació del robot, heu de connectar el cable positiu de la bateria al pin (suposant que es tracta d’un interruptor de tres pins) del costat en què voleu activar l’interruptor. A continuació, connecteu el pin central a l’entrada de potència positiva del controlador. Hem soldat els cables de DuPont al commutador, de manera que la bateria no està connectada permanentment al commutador.

Connectant els laterals

Ara ja coneixeu la ubicació dels components i teniu els dos costats del robot. El darrer pas per construir el robot serà connectar els dos costats entre si. hem utilitzat quatre jocs de tres trossos de fusta enganxats i els hem cargolat als costats perquè el nostre xip de moviment estigués a l'eix central del robot. Cal dir que el material utilitzat, sempre que sigui prou resistent, no importa massa. Fins i tot podeu utilitzar una connexió més pesada a la part superior per augmentar encara més l’alçada del centre de massa. Però, a diferència de la posició vertical del centre de massa, la posició horitzontal del centre de massa s’ha de mantenir al lloc, tant com sigui possible, per sobre de l’eix de la roda, ja que codificar el codi del xip de moviment es tornaria bastant dur si el centre horitzontal fos de desplaçats massius.

Ara ja esteu a punt per penjar el codi i ajustar el controlador.

Pas 6: penjar i ajustar el codi

Per penjar el codi, necessiteu un ordinador amb l’IDE Arduino. Baixeu-vos el fitxer.ino a continuació i obriu-lo amb l'IDE Arduino. La càrrega al controlador es fa de la mateixa manera que es va fer amb el codi de la configuració de Bluetooth.

Per fer funcionar el robot, heu de descarregar l’app ‘Joystick bluetooth Commander’ de Play Store. Enceneu l’alimentació del robot i col·loqueu-lo a terra, a la part frontal o posterior. Inicieu l'aplicació i connecteu-vos al xip Bluetooth. El camp de dades 1 passarà de XXX a LIST un cop el robot s’hagi calibrat (5 segons per col·locar-lo al seu costat, seguit de 10 segons de calibratge). Podeu activar el robot canviant el botó 1 de l'aplicació. Ara col·loqueu el robot verticalment a terra i deixeu-lo anar quan sentiu que els motors s’encenen. És llavors quan el robot comença a equilibrar-se.

El robot ja està a punt per ser ajustat, ja que probablement la seva estabilitat no sigui gran. Podeu provar-ho si funciona sense una sintonització addicional, però heu de fer el robot bastant idèntic al nostre perquè funcioni correctament. Per tant, en la majoria dels casos haureu d’ajustar el controlador perquè funcioni millor amb el vostre robot. És bastant fàcil, tot i que consumeix molt de temps. A continuació s’explica com fer-ho:

Sintonització del controlador

En algun lloc del codi hi trobareu 4 variables, començant per una k. Aquests són kp, kd, kc i kv. Comenceu establint tots els valors a zero. El primer valor que cal establir és kp. El valor per defecte de kp és 0,17. Proveu d’establir-lo a una cosa molt inferior, com ara 0,05. Apagueu el robot, pengeu el codi i veureu com s’equilibra. Si cau cap endavant, augmenteu el valor. La forma més intel·ligent de fer-ho és interpolant:

1. Establiu el valor en alguna cosa baix i proveu-ho
2. Establiu el valor en alguna cosa elevat i proveu-ho
3. Establiu el valor a la mitjana dels dos i proveu-lo
4. Ara intenteu esbrinar si es va equilibrar millor entre el valor baix o alt i mitjà el valor actual i el valor en què funcionava millor.
5. Continueu fins que trobeu un lloc dolç

El punt dolç del valor de kp és quan està a la vora de la compensació inferior i excessiva. Així doncs, de vegades caurà cap endavant ja que no pot seguir la velocitat de caiguda, i d’altres caurà cap enrere perquè sobrepassa en una direcció diferent.

Després d’haver definit el valor de kp, configureu el kd. Això es pot fer de la mateixa manera que amb kp. Augmenteu aquest valor fins que el robot estigui gairebé equilibrat, de manera que oscil·li cap endavant i cap enrere fins que caigui. Si el defineix massa alt, ja es pot aconseguir que s’equilibri de manera força ordenada, però quan el balanç es pertorba massa, caurà (com quan li feu un impuls). Proveu, doncs, de trobar el lloc on no sigui del tot equilibrat, però força proper.

Com podeu suposar, l’ajust del controlador pot trigar diversos intents, ja que cada vegada que s’introdueix nova variable és més difícil. Per tant, si creieu que no funcionarà, torneu a començar.

Ara és hora d’establir el kv. Interpoleu-ho fins que trobeu un valor en què el robot deixi de balancejar-se, es mantingui equilibrat i pugui manejar una empenta lleugera. Quan es posa massa alt, afecta negativament l'estabilitat. Proveu de jugar amb kv i kp per trobar un punt en què sigui el més estable. Aquest és el pas que més temps requereix de l’afinació.

L’últim valor és kc. Aquest valor fa que el robot torni a la seva última posició després de compensar un impuls o alguna cosa més. Podeu provar el mateix mètode d’interpolació aquí, però 0.0002 hauria de funcionar força bé en la majoria dels casos.

Això és! El vostre robot ja està a punt. Utilitzeu el joystick del telèfon intel·ligent per controlar el robot. Tingueu en compte, però, que avançar a la màxima velocitat pot fer caure el robot. Juga amb les variables del controlador per compensar-ho tant com sigui possible. El pas més lògic seria mirar el valor kp per a això, ja que això compensa directament l’angle actual del robot.

Nota important sobre les bateries LiPo

Es recomana que comproveu regularment el voltatge de la bateria LiPo. Les bateries LiPo no s’han de descarregar a menys de 3 volts per cel·la, mesurant 9 volts en un LiPo 3S. Si el voltatge baixa per sota de 3 volts per cel·la, hi haurà pèrdues permanents de capacitat de la bateria. Si el voltatge cau per sota de 2,5 volts per cel·la, descarregueu la bateria i compreu-ne una de nova. La càrrega d’una cèl·lula LiPo de menys de 2,5 volts és perillosa perquè la resistència interna es fa molt alta, cosa que provoca una bateria calenta i un risc potencial d’incendi durant la càrrega..