Ардуино самобалансирующий робот своими руками

Ископаемое снова в деле
или самобалансирующий робот на Arduino Nano

(учимся пользоваться одним прерыванием для управления несколькими шаговыми моторами)

От старых экспериментов с балансировкой для роботов у меня остался вот такой экспонат

Робот ездил не очень хорошо, и я решил, что будет удобнее применить более скоростной контроллер ESP32 и возможно более дорогой гироприбор BNO055, так появился проект робота на ногах с колесами:

Selfbalancing bot (esp32) – part 2

В этом роботе мне удалось победить практическую сторону балансировки и добиться качественной работы алгоритмов.

Затем поступило достаточное количество вопросов о возможности реализации балансировки на роботе без подвижных ног, и как только появилось свободное время, я это реализовал (обязательно почитайте статью, там описана и теория и практика балансировки):

Все это время робот на шаговых моторах с Arduino Nano пылился в чулане, а алгоритмы совершенствовались и ускорялись. Пришло его время. Для него был адаптирован стандартный на начало лето 2019 года алгоритм балансировки. И. его производительности вполне хватило.

Модуль selfbalNANOmpu6050.ino
Основной запускающий программный модуль. В функции loop() производится расчет балансировки. Расчет аналогичен http://zizibot.ru/articles/programming/selfbalance-robot-esp32-bno055-mpu6050/ , добавлен блок обработки максимального наклона, после которого робот уже не сможет сбалансировать.

Модуль defin.h

Содержит описание переменных используемых для расчета балансировки, может содержать рудименты и атавизмы.

Модуль gyro_acsel.h

Инициализация гироприбора, чтения данных из гироприбора, устранение дрейфа нуля гироскопа.

Модуль step_motor.h

Обслуживает шаговые моторы. Включает в себя функцию void i_stepcoder(), которая вызывается по прерыванию 16-разрядного таймера (1 раз в 20микросекунд), и генерирует шаги, согласно условий, которые задаются в void SetSpeed(), которая в свою очередь принимает данные из расчета скорости по показаниям гироприбора.

Для генерации прерываний используется библиотека TimerOne.h, которая позволяет использовать 16разрядный таймер для генерации прерывания, которые нужны для обработки событий, которые невозможно отложить.

Также в модуле используется прямой доступ к порту PORTB , что позволило укорить функцию обработки прерывания и генерации шагов.

Робот на Ардуино и машинка на Bluetooth своими руками

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.

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.

Робот балансир на ардуино

Октябрь 14, 2017

Нам понадобится:

Для изготовления корпуса для балансира я взял картон. Картон был довольно тонкий и я склеивал несколько листов, для увеличения прочности конструкции.

Размер боковин балансира указан на фото:

Таких деталей должно быть две, но с учетом того что картон тонкий, я их сделал 4 и склеил между собой термопистолетом.

С вертикальными частями разобрались, теперь нужно сделать 3 горизонтальных. Я их склеивал тоже между собой, поэтому сделал вот таких частей 6 шт.:

После склейки должна получиться лесенка. Все детали я склеивал между собой термоклеем, картон он очень хорошо склеивает.

Моторредукторы я крепил на стяжки к боковинам получившейся “лесенки”

Драйвер двигателей, я разместил на самую нижнюю полку получившейся конструкции.

При подключении самих моторов к драйверу, важно подобрать правильную полярность, чтоб моторы крутились именно в ту сторону, в которую нужно чтоб они крутились для удерживания ровновесия.

Наши “мозги” Ардуино и гироском Mpu 6050 я установил на среднюю полку, чтоб было не сложно дотянуться и до драйвера двигателей и до аккумуляторов.

ВАЖНО: Гироскоп нужно расположить ровно в плоскости, иначе роботу будет тяжело держать равновесие.

Ну и сами аккумуляторы прикрепил на стяжки в самом верху конструкции.

После размещения всех элементов и подключения их друг с другом проводами, Робот выглядит вот таким вот образом.

После того как мы разобрались с конструкцией робота, давайте перейдем к электронной части, а именно к схеме подключения элементов.

Ну и собственно сам скетч:

Для корректной работы скетча нам еще понадобятся две библиотеки kalman и PID_v1

Ну и собственно демонстрация работы:

Как сделать робота на ардуино

Intro

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 Pin Arduino Pin
Vcc +5V
Ground Gnd
SCL A5
SDA A4
INT D2

Двигатели постоянного тока могут работать от напряжения 5 В до 12 В. Но мы будем подключать положительный провод 7.4V от батареи до 12 В входного разъема модуля драйвера двигателя. Это заставит двигатели работать с 7.4V. В следующей таблице будет показано, как модуль драйвера двигателя L298N подключен к Arduino.

L298N Pin Arduino Pin
IN1 D6
IN2 D9
IN3 D10
IN4 D11

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 [3].

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.

На начальных этапах PID я рекомендую оставить ваш кабель Arduino, подключенный к боту, чтобы вы могли легко контролировать значения ввода и вывода, а также будет легко исправить и загрузить свою программу для значений Kp, Ki и Kd.

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

Источники:

http://arduinomaster.ru/uroki-arduino/robot-mashinka-avtomobil-arduino/

http://psenyukov.ru/%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82-%D0%B1%D0%B0%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%B8%D1%80-%D0%BD%D0%B0-%D0%B0%D1%80%D0%B4%D1%83%D0%B8%D0%BD%D0%BE/

http://geekhouse.tech/how-to-make-arduino-robot/

http://digitrode.ru/computing-devices/mcu_cpu/1238-arduino-i-skaner-otpechatkov-palcev.html

Ссылка на основную публикацию