HeadBot-samobalansirajući robot za STEM učenje i Outreach: 7 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

Headbot-samo-balansirajući robot visok dva metra, zamisao je tima South Eugene Robotics Team (SERT, FRC 2521), takmičarskog srednjoškolskog tima za robotiku na PRVOM takmičenju iz robotike, iz Eugena, Oregon. Ovaj popularni terenski robot redovno se pojavljuje u školama i na događajima u zajednici gdje privlači mnoštvo odraslih i djece. Budući da je robot izdržljiv i jednostavan za rukovanje pomoću Android telefona ili tableta, djeca od tri godine mogu uspješno upravljati njime. A budući da bot može nositi veliki izbor šešira, maski i drugih kostima, to je zabavan dodatak gotovo svakom okupljanju. Članovi SERT -a koriste robota za zapošljavanje novih članova tima i za poticanje općeg interesa za STEM u zajednici.

Ukupni troškovi projekta su približno 200 USD (pod pretpostavkom da imate 3D štampač i Android uređaj), iako se to može smanjiti na manje od 100 USD ako imate dobro snabdjevenu prodavnicu elektronike sa lakim pristupom lemljenju, termoskupljajućim cijevima, kratkospojne žice, otpornici, kondenzatori, baterije i mikro USB kabel. Izgradnja je naprijed ako već imate iskustva s elektronikom, a pruža veliku priliku onima koji žele učiti. Za one koji se posebno zanimaju za robotiku, Headbot također pruža dobru platformu za razvoj vještina u Proporcionalno-integralno-izvedenim (PID) podešavanju za kontrolu povratnih informacija.

Supplies

Imajte na umu da donja lista dijelova prikazuje broj potrebnih dijelova svake vrste, a ne broj paketa. Neki se linkovi odnose na stranice na kojima se više dijelova može kupiti kao paket (što pruža određenu uštedu) - vodite računa da kupite potreban broj paketa za dobivanje odgovarajućeg broja dijelova.

Elektronske komponente

• 1x ESP32 mikrokontroler
• 2x koračni motori
• 2x A4988 upravljački program koračnih motora
• 1x žiroskop/akcelerometar MPU-6050
• 1x 100uF kondenzator
• 1x UBEC (univerzalni krug za uklanjanje baterija)
• 1x razdjelnik napona (1x 10kohm i 1x 26.7kohm otpornik)
• 2x 5 mm zajednička anodna RGB LED svjetla
• 6x 220 ohm otpornici
• Žice za kratkospojnike (muško-muško i žensko-žensko)
• Električna žica
• 3x JST SM utikači
• 2x kućište sa 4 baterije
• Termoskupljanje
• Solder

Hardver

• 1x 3D štampano kućište, kapa i električna ploča (pogledajte upute ispod)
• 2x 5 "precizni disk točkovi
• 2x 0,770 "glavčine kotača s otvorom od 5 mm
• 8x punjive AA baterije i punjač
• 1x glava od stiropora
• 1x 2,5 "komad 3/4" PVC cijevi (za pričvršćivanje glave)
• 8x podloške za zaključavanje M3 (za montiranje motora)
• 8x vijci M3 x 8 mm (za montiranje motora)
• 8x 6-32 x 3/8 "vijci (za postavljanje kotača na glavčine)
• 2x Zipties
• Kanal ili gaf traka
• 2x krute metalne šipke ili čvrste žice (npr. Izrezane sa žičanih vješalica) pribl. 12”dugačak

Preporučeni alati

• Skidač žice
• Rezač žice
• Lemilica
• Heat Gun
• Električna bušilica
• 1 "x 16" lopatica
• Ključ imbus ključ
• Pištolj za vruće ljepilo
• Mikro USB kabel sa kutnim utikačem

Korak 1: 3D ispis kućišta, poklopca i elektroničke ploče

3D štampanje kućišta, poklopca i elektroničke ploče. Ovdje preuzmite stl datoteke. Delove treba štampati sa PLA rezolucijom 0,25 mm i ispunom od 20%, bez splavova ili podupirača.

Korak 2: Dodajte motore, kotače i traku u kućište

Motori: Postavite koračne motore u dno kućišta (sa žicama koje izlaze s vrha motora) i pričvrstite ih vijcima M3x8 mm i podloškama s maticama M3, koristeći odgovarajući šesterokutni ključ ili odvijač. Postavite glavčine kotača na osovine i pričvrstite ih zatezanjem vijaka na ravni dio osovine.

Točkovi: Rastegnite gumene prstenove oko spoljne strane diska točka. Pričvrstite kotače na glavčine kotača vijcima 6-32x3/8”. (Točkovi mogu biti čvrsto pričvršćeni oko glavčine. U tom slučaju postavite što je moguće bolje, a zatim polako pritegnite vijke malo po malo, krećući se od vijka do vijka i ponavljajući, kako bi vijci mogli povući kotač na svoje mjesto.))

Pripremite čep i PVC cijev: Dodajte ljepljivu traku ili traku na vrh kućišta tako da poklopac klizne i čvrsto prianja. Dodajte traku na jedan kraj 2,5 piece komada ¾”PVC cijevi tako da čvrsto, sigurno prianja i klizi u otvor na poklopcu. Ako je potrebno, traka se može dodati i na drugi kraj PVC -a kako bi se osiguralo dobro prianjanje u rupu na dnu glave.

Korak 3: Pripremite elektroničku ploču

Nanesite traku na elektroničku ploču: Dodajte ljepljivu traku ili traku na bočnim stranama elektroničke ploče tako da će kliziti u šine s unutarnje strane kućišta uz dobro prianjanje.

Žiroskop/akcelerometar MPU-6050: Lemite pinove na žiroskop/akcelerometar MPU-6050, s dugom stranom pinova na istoj strani ploče kao i čipovi. Upotrijebite dovoljnu količinu vrućeg ljepila kako biste MPU pričvrstili za malu policu koja viri iz baze elektronske ploče, orijentiranu tako da su igle lijevo od ploče dok ste okrenuti prema polici.

A4988 Upravljački program koračnog motora: Upotrijebite mali odvijač da okrenete mali potenciometar za ograničavanje struje na svakom upravljačkom programu koračnog motora A4988 u smjeru kazaljke na satu do kraja. Odlepite papir sa trake na hladnjacima za upravljačke programe motora i nanesite ih da prekrijete čipove na sredini ploče. Upotrijebite dovoljno vrućeg ljepila kako biste učvrstili upravljačke programe motora (s potenciometrima prema vrhu) sa strane elektroničke ploče nasuprot police s MPU -om, sa iglama koje strše kroz dva para okomitih proreza na vrhu elektroničke ploče (pazite da na igle ne dođe ljepilo koje bi trebalo stršiti na istoj strani kao i MPU). Provucite patentni zatvarač kroz male rupe iznad svakog vozača motora kako biste ga dodatno učvrstili.

ESP32 mikrokontroler: Postavite mikro USB kabel u utikač na ESP32 mikrokontroleru (to će se koristiti za držanje kraja ploče na maloj udaljenosti od elektroničke ploče, tako da se pristup utikaču može osigurati nakon što je ESP32 zalijepljen na mjestu). Postavite ESP32 s utikačem s desne strane okrenuti prema strani čipa i upotrijebite dovoljno ljepila za pričvršćivanje na ploču, pri čemu igle strše kroz vodoravne proreze na sredini ploče sa strane sa MPU -om (uzmite pazite da ne zalijepite igle ili USB kabel). Nakon što se ljepilo stvrdne, uklonite USB kabel.

Korak 4: Elektroničko kolo

Opće upute: Slijedite dijagram kruga (preuzmite pdf u nastavku za verziju visoke rezolucije) kako biste stvorili žičane kablove potrebne za povezivanje elektroničkih komponenti. Veze između dva pina mogu se izravno izvesti pomoću jednostrukih žensko-ženskih kratkospojnika. Spajanje između 3 ili više pinova može se izvršiti pomoću složenijih žičanih kablova opisanih u nastavku. Oprez se može stvoriti prerezivanjem žensko-ženskih kratkospojnika na pola, a zatim ih lemiti zajedno s drugim komponentama (otpornici, kondenzator, utikači, kratke žice) prema potrebi. U svim slučajevima upotrijebite termoskupljajuću cijev za izolaciju lemnog spoja.

Baterije: Uverite se da baterije mogu da skliznu u proreze na dnu 3D štampanog kućišta. Ako se ne uklapaju, upotrijebite ih turpijom dok ih ne uklope. Iskopčajte žice s dva ženska priključka JST SM konektora (ostavljajući otprilike jedan inč) i lemite jedan na žice iz svake baterije.

Glavni kabelski svežanj: Glavni kabelski svežanj prima ulaz iz dva muška utikača JST SM konektora, pri čemu se + kabel s jednog utikača spaja na - kabel s drugog kako bi se serijski spojile dvije baterije (što rezultira kombiniranim ulazom od 12 V). Ostali vodiči su spojeni preko kondenzatora od 100uF (za sprečavanje skokova napona; kraći krak tog kondenzatora pričvršćen je za - elektrodu, dok se duži krak pričvršćuje za +12v vod) i s razdjelnikom napona koji se sastoji od otpornika od 10 kohma (spojen na - odvod) i otpornik od 26,7 kohma (spojen na odvod +12V), sa ženskim kratkospojnikom između otpornika koji će priključiti SVP na ESP32 (ovo daje skalirani ulaz sa maks. 3,3 V koji se koristi za osigurati očitanje preostalog napona u baterijama). Dodatni ženski kratkospojnici pružaju +12v (2 kratkospojnika) i - ulaze (2 kratkospojnika) na VMOT i susjedne GND pinove, na upravljačima koraka. Dodatno, univerzalno uklanjanje baterija (UBEC) lemljeno je na +12v i-vodiče glavnog kabelskog svežnja (ulaz na UBEC je strana s kondenzatorom u obliku cijevi), s +5v i-izlaze UBEC lemljeni na ženski JST SM utikač.

5v ulaz na ESP32: Lemite muški utikač JST SM konektora na dva ženska kratkospojnika, kako biste osigurali ulaze za 5v i GND ulaze na ESP32 iz UBEC -a (ovaj utikač omogućava jednostavno isključivanje kada se ESP32 napaja iz mikro USB ulaz, za vrijeme učitavanja koda na mikrokontroler).

Kabelski snop od 3,3 V: Lemite 7 ženskih kratkospojnika za spajanje 3,3 v igle na ESP32 sa VCC pinom na MPU -u, VDD i MS1 pinovima na svakom od upravljačkih programa koračnih motora i na muškom kratkospojniku koji daje napajanje LED očima (omogućavajući lako isključivanje napajanja očiju, kada se ESP32 napaja iz mikro USB -a dok se kôd učitava).

Uzemljenje: Spojite 3 ženska kratkospojnika za spajanje GND pina na ESP32 sa GND pinovima (pored VDD pina) na svakom od pokretača koračnih motora.

Kabelski svežanj za omogućavanje koraka: Lemite 3 ženska kratkospojnika za povezivanje pina P23 na ESP32 sa iglicama ENABLE na svakom od pokretača koračnih motora.

Konektori s jednim kratkospojnikom: Jednostruki kratkospojnici se koriste za sljedeće veze:

• GND na ESP32 do GND na MPU
• P21 na ESP32 do SCL na MPU
• P22 na ESP32 u SDA na MPU
• P26 na ESP32 do DIR na lijevom stepenastom upravljačkom programu
• P25 na ESP32 do STEP na lijevom upravljačkom programu koraka
• Kratkospojnik SLEEP i RESET na lijevom steperaškom upravljačkom programu
• P33 na ESP32 do DIR na desnom upravljačkom programu koraka
• P32 na ESP32 do STEP na desnom upravljačkom programu koraka
• Kratko spavanje i resetiranje na desnom upravljaču koraka

Priključite UBEC: ženski JST SM utikač na izlazu UBEC -a može se uključiti u odgovarajući muški utikač koji napaja i uzemljuje 5v i GND ulaze na ESP32. Međutim, ovaj utikač treba odvojiti kada se ESP32 napaja putem mikro USB-a (na primjer, prilikom učitavanja koda), inače će obrnuta struja s ESP32 na glavni kabelski svežanj poremetiti pravilno funkcioniranje ESP32.

Ugradite elektroničku ploču: Gurnite elektroničku ploču u šine s unutarnje strane kućišta.

Priključite kabele motora: Spojite kabele s lijevog motora na lijevi koračni pogon, plavom, crvenom, zelenom i crnom žicom spojenom na pinove 1B, 1A, 2A i 2B, respektivno. Spojite elektrode s desnog motora na desni upravljač koraka, plavom, crvenom, zelenom i crnom žicom spojenom na pinove 2B, 2A, 1A i 1B (imajte na umu da su motori povezani u zrcalnom obliku, jer imaju suprotnih orijentacija). Ugurajte višak ožičenja motora u donji dio kućišta.

Priključite baterije: Gurnite baterije u džepove u kućištu i spojite njihove ženske JST SM konektore sa odgovarajućim muškim utikačima na ulazu u glavni kabelski svežanj (vodiči iz prednje baterije mogu se voditi kroz otvor u sredini elektroničke ploče za pristup utikaču sa stražnje strane). Baterije se mogu odvojiti kako bi se omogućilo lakše umetanje novih baterija. Uključivanjem prekidača za napajanje bilo koje baterije u isključeno stanje prekida se napajanje strujnog kruga (budući da su paketi u nizu) - prekidači na botovima moraju biti uključeni kako bi se krug napajao.

Korak 5: Pripremite glavu i oči

Produžite rupu u podnožju glave: Upotrijebite bušilicu od 1”da biste povećali dubinu rupe na dnu glave, tako da završava iznad visine očiju (korisno je staviti mali komad trake na odgovarajućoj lokaciji na vratilu bita kako bi se pokazalo kada je postignuta odgovarajuća dubina). Gurnite bit 2-3”u rupu prije bušenja kako ne biste oštetili otvor rupe (poželjet ćete čvrsto pričvršćivanje na PVC cijev koja će je pričvrstiti za poklopac kućišta). Sačuvajte neke veće komade stiropora kako biste kasnije napunili oči.

Napravite kuke za guranje/izvlačenje žica: Na jednom kraju krute metalne šipke savijte mali oblik N (ovo će se koristiti za guranje žica za napajanje LED očiju kroz glavu stiropora). Savijte malu udicu na kraju druge krute metalne šipke (ovo će se koristiti za izvlačenje žice iz rupe na dnu glave).

Povucite žice: Vežite velike petlje na krajevima crvene, žute, zelene i plave žice, koristeći čvrste čvorove. Radeći po jednu žicu, zakačite petlju na kraj kuke u obliku slova N i gurnite je kroz oko glave, držeći putanju vodoravno i ciljajući prema rupi u središtu glave. Kad se žica gurne u rupu, pomoću zakačene šipke uhvatite petlju s dna glave i izvucite je iz rupe, izvlačeći i drugu šipku iz oka (ostavljajući žicu od 2-3 inča na donji dio glave i visi iz oka). Ponovite postupak s ostale tri žice u boji, slijedeći isti put od oka do središnje rupe (upotrijebite označenu patentnu zatvarač da biste pričvrstili ove žice zajedno i naznačile koje oko kontroliraju). Ponovite sa još 4 žice u drugom oku.

Priključite RGB LED diode: Skratite elektrode na RGB LED diodama, pazeći da označite zajedničku anodu (duži provodnik i zabeležite lokaciju R (pojedinačni provodnik na jednoj strani anode, kao što je prikazano na dijagramu kola) i G i B vodiči (dva kabela s druge strane anode). Lemite odgovarajuće žice koje vise s jednog oka na LED (crveno na anodu, žuto na R, zeleno na G i plavo na B), izoliranje spojeva termoskupljajućom cijevi. Gurnite vodiče LED diode u glavu, ali je ostavite da malo strši dok se ne može testirati. Ponovite postupak s drugom LED i žicama s drugog oka.

Pričvrstite kratkospojnike: Lemite otpornik od 220 ohma i kratkospojnik s ženskim konektorom na svaku od žutih, zelenih i plavih žica koje strše s donje strane glave. Spojite dvije crvene žice i lemite na kratkospojnik s muškim priključkom (napomena: ovo je jedini muški kratkospojnik potreban u krugu).

Spojite kratkospojnike i pričvrstite glavu: Provucite kratkospojnike kroz PVC cijev u poklopcu i gurnite PVC u otvor na glavi pričvršćujući ga za čep. Priključite muški kratkospojnik za napajanje na ženski kratkospojnik na kabelskom svežnju od 3,3 V, a ženski RGB kratkospojnik na ESP32 (žute, zelene i plave žice lijevog oka na P4, P0 i P2, odnosno žute, zelene i plave žice) žice desnog oka prema P12, P14 i P27). Na kraju, pričvrstite glavu/kapu na glavno kućište.

Korak 6: Otpremite kôd i instalirajte upravljačku stanicu

Instaliranje HeadBot koda na ESP32: Preuzmite i instalirajte Arduino IDE na svoje računalo. Posjetite https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa i kliknite "Preuzmi Zip" ispod zelenog gumba "Kloniraj ili preuzmi". Premjestite fasciklu sa zipom unutra na bilo koje mjesto na računaru i preimenujte je u “ursa”

Otvorite ursa.ino koristeći Arduino IDE. U izborniku postavki pod “Datoteka” dodajte https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json u “Dodatne URL -ove upravitelja ploča”. Instalirajte esp32 ploče Espressif Systems pod Alati> Upravitelj odbora. Odaberite “esp32 dev module” pod Tools> Board. Instalirajte PID by Brett Beauregard biblioteka klikom na “Manage Libraries” u meniju “Sketch”.

Povežite se sa ESP32 pomoću USB-MicroUSB kabla. Odaberite ploču pod Alati. Pritisnite i držite malo dugme sa oznakom "I00" pored mikro USB konektora na ESP32, zatim pritisnite dugme za otpremanje na Arduino IDE -u i otpustite "I00" kada Arduino IDE kaže da je "Povezivanje …". Nakon što se učitavanje završi, MicroUSB kabel se može odspojiti.

Instaliranje upravljačke stanice HeadBot: Preuzmite i instalirajte Processing na svoj računar. Posjetite https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa-ds-prototype i preuzmite kôd. Otvorite "ursaDSproto.pde" koristeći Processing IDE. Instalirajte Ketai, Game Control Plus i UDP biblioteke putem Processing -ovog upravitelja biblioteke (Sketch> Import Library). Ako pokrećete pogonsku stanicu na svom računaru, izaberite Java Mode u padajućem meniju u gornjem desnom uglu prozora Processing; da biste ga pokrenuli na Androidu, instalirajte Android način rada za obradu klikom na padajući izbornik "Java" u gornjem desnom kutu. Zatim povežite uređaj, omogućite USB otklanjanje grešaka, odaberite Android način. Da biste pokrenuli pogonsku stanicu, kliknite "Pokreni skicu". Ako je vaš računar povezan sa Android uređajem, na njega će biti instalirana upravljačka stanica.

Korak 7: Pokrenite HeadBot i podesite PID vrijednosti

Pokretanje: Provjerite jesu li baterije spojene i je li UBEC izlaz spojen na ESP32 ulazni konektor. S Headbotom koji leži na boku u stabilnom položaju, uključite ga pomicanjem prekidača za napajanje na obje baterije u položaj ON, ostavljajući Headbot mirovanja nekoliko sekundi dok se žiroskop inicijalizira. Nakon kratkog odlaganja, trebali biste moći vidjeti WiFi signal Headbota (SERT_URSA_00) na uređaju kojim ćete upravljati botom - odaberite ga i unesite lozinku "Headbot". Nakon uspostavljanja veze, pokrenite aplikaciju pogonske stanice na telefonu/tabletu ili pokrenite skriptu pogonske stanice u odjeljku Obrada na računaru. Nakon što se program pokrene i uspostavi veza, trebali biste vidjeti kako vrijednost "pitch" počinje reagirati, pokazujući nagib Headbota.

Postavljanje PID vrijednosti: Da biste mogli kontrolirati Headbot, morate podesiti PID vrijednosti. Za ovdje opisanu verziju Headbota. Klikom na kvadrat u gornjem lijevom kutu pogonske stanice pojavit će se klizači za podešavanje vrijednosti. Tri gornja klizača služe za podešavanje P, I i D za kut (PA, IA i DA) - ove su vrijednosti od primarne važnosti za omogućavanje Headbotu da održi ravnotežu. Tri donja klizača služe za podešavanje P, I i D za brzinu (PS, IS i DS) - ove su vrijednosti važne za omogućavanje Headbotu da pravilno prilagodi svoju brzinu vožnje prema ulazu na joystick. Dobre početne vrijednosti za ovu verziju Headbota su PA = 0,08, IA = 0,00, DA = 0,035, PS = 0,02, IS = 0,00 i DS = 0,006. Nakon postavljanja ovih vrijednosti, kliknite okvir "Spremi postavku" u gornjem lijevom kutu pogonske stanice (ovo sprema postavke u izdržljiviji oblik koji će preživjeti ponovno pokretanje bota).

Isprobavanje stvari: Kliknite na traku Green Joystick u gornjem desnom dijelu pogonske stanice da biste prikazali joystick za upravljanje robotom. Podignite Headbot u gotovo uravnoteženoj orijentaciji i pritisnite tamnozeleni kvadrat Enable u gornjem desnom kutu (pritiskom na susjedni crveni okvir onemogućit ćete robota). Ako sve bude u redu, imat ćete samo balansirajuću Headbota, ali više je vjerojatno da ćete morati fino podesiti PID vrijednosti. Obično ima malo I ili D u odnosu na P, pa počnite tamo. Premalo i neće reagirati. Previše i oscilirat će naprijed -nazad. Počnite Počnite s Angle PID vrijednostima, unoseći male izmjene kako biste vidjeli kako se na to utiče. Neki D izraz za kutnu petlju može pomoći u smanjenju oscilacija, ali mala količina može brzo unijeti dosta podrhtavanja, pa je koristite umjereno. Ako su vrijednosti kuta ispravne, Headbot bi se trebao oduprijeti blagim udarcima bez pada. Očekuju se mali trzaji dok je Headbot uravnotežen, jer se koračni motori kreću u pola koraka od 0,9 stupnjeva pri svakom podešavanju.

Nakon što se postigne ravnoteža, pokušajte voziti malim pokretima joystick -a, male prilagodbe vrijednosti Speed PID -a tako da bot reagira glatko, graciozno. Povećanje termina I može biti od pomoći u sprječavanju robota da se ne pridržava zadane brzine. Ipak, upozorite-promjene vrijednosti PID-a brzine zahtijevaju daljnja prilagođavanja vrijednosti PID-a ugla (i obrnuto), budući da PID petlje međusobno djeluju.

Promjene ukupne težine i raspodjele težine Headbota (poput nošenja naočara, maski, perika ili šešira) zahtijevat će dodatno podešavanje PID vrijednosti. Nadalje, ako kostimi previše izbacuju ravnotežu, možda ćete morati prilagoditi početnu vrijednost pitchOffset u kodu ursa.ino i ponovo učitati kôd na ESP32.

Drugoplasirani na takmičenju iz robotike