HeadBot-isetasakaalustav robot STEM-i õppimiseks ja teavitamiseks: 7 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:47

Headbot-kahe jala kõrgune isetasakaalustav robot-on Lõuna-Eugene'i robootikameeskonna (SERT, FRC 2521), kes on konkurentsivõimeline keskkooli robootikameeskond ESIMESEL robootikavõistlusel, Eugene'ist, Oregonist. See populaarne teavitusrobot esineb korrapäraselt koolides ja kogukonnaüritustel, kuhu meelitab ligi nii täiskasvanuid kui ka lapsi. Kuna robot on nii vastupidav kui ka hõlpsasti kasutatav Android -telefoni või tahvelarvutit kasutades, saavad juba kolmeaastased lapsed sellega edukalt sõita. Ja kuna bot saab kanda mitmesuguseid mütse, maske ja muid kostüüme, on see meelelahutuslik lisand peaaegu igale koosviibimisele. SERT -i liikmed kasutavad robotit uute meeskonnaliikmete värbamiseks ja kogukonnas STEM -i vastu üldise huvi äratamiseks.

Projekti kogumaksumus on ligikaudu 200 dollarit (eeldusel, et teil on 3D-printer ja Android-seade), kuigi seda saab raseerida vähem kui 100 dollarini, kui teil on hästi varustatud elektroonikapood, kus on lihtne juurdepääs jootmisele ja termokahanevatele torudele, džemprijuhtmed, takistid, kondensaatorid, patareid ja mikro -USB -kaabel. Ehitamine on lihtne, kui teil on juba elektroonikakogemus, ja see annab suurepärase võimaluse neile, kes tahavad õppida. Neile, kellel on robootika vastu eriline huvi, pakub Headbot ka head platvormi tagasiside juhtimiseks proportsionaalse-integreeritud tuletise (PID) häälestamise oskuste arendamiseks.

Tarvikud

Pange tähele, et allolev osade loend näitab iga tüübi jaoks vajalike osade arvu, mitte pakendite arvu. Mõned lingid viitavad lehtedele, kust saab paketina osta mitmeid osi (mis annab teatud kulude kokkuhoiu) - veenduge, et ostate sobiva arvu osade saamiseks vajaliku arvu pakke.

Elektroonilised osad

• 1x ESP32 mikrokontroller
• 2x samm -mootorid
• 2x A4988 samm -mootoriga draiverid
• 1x MPU-6050 güroskoop/kiirendusmõõtur
• 1x 100uF kondensaator
• 1x UBEC (universaalne aku elimineerimisahel)
• 1x pingejagur (1x 10kohm ja 1x 26,7kohm takisti)
• 2x 5 mm ühine anood RGB LED -tuled
• 6x 220 oomi takistid
• Jumper juhtmed (mees-mees ja naine-naine)
• Elektrijuhe
• 3x JST SM pistikupesad
• 2x 4-aku ümbris
• Kuumus kahaneb
• Jootma

Riistvara

• 1x 3D trükitud korpus, kork ja elektriplaat (vt allpool toodud juhiseid)
• 2x 5 "täpsed ketasrattad
• 2x 0,770 "rattarumm 5 mm läbimõõduga
• 8 korda laetavad AA patareid ja laadija
• 1x vahtpolüstüroolist pea
• 1x 2,5 "tükk 3/4" PVC toru (pea kinnitamiseks)
• 8x M3 lukustusseibid (mootorite kinnitamiseks)
• 8x M3 x 8mm kruvid (mootorite kinnitamiseks)
• 8x 6-32 x 3/8 "kruvid (rataste kinnitamiseks rummudele)
• 2x tõmblukud
• Kanal või gafflint
• 2x jäigad metallvardad või tugevad juhtmed (nt traadist riidepuudelt lõigatud) u. 12”pikk

Soovitatavad tööriistad

• Traadi eemaldaja
• Traadi lõikur
• Jootekolb
• Soojuspüstol
• Elektriline puur
• 1 "x 16" labidas
• Kuusnurkse võtme komplekt
• Kuum liimipüstol
• Mikro -USB -kaabel nurga all oleva pistikuga

Samm: printige korpus, kork ja elektroonikaplaat 3D -vormingus

3D printida korpust, korki ja elektroonikaplaati. Laadige stl -failid alla siit. Osad tuleks trükkida PLA -ga 0,25 mm eraldusvõimega ja 20% täitematerjaliga, ilma parvedeta ja tugeeta.

Samm: lisage korpusesse mootorid, rattad ja lint

Mootorid: Asetage samm -mootorid korpuse põhja (juhtmed väljuvad mootorite ülaosast) ja kinnitage M3x8mm kruvide ja M3 lukustusmutrite seibidega, kasutades sobivat kuuskantvõtit või kruvikeerajat. Asetage ratta rummud telgedele ja kinnitage, keerates kinnituskruvisid telje lamedale osale.

Rattad: venitage kummist rõngad rattaketta välispinna ümber. Kinnitage rattad ratta rummudele 6-32x3/8”kruvidega. (Rattad võivad olla rummu ümber tihedalt kinnitatud. Kui jah, siis asetage see võimalikult hästi, seejärel pingutage kruvisid aeglaselt veidi, liikudes kruvilt kruvile ja kordades, et kruvid saaksid ratta paika tõmmata.)

Valmistage kork ja PVC toru ette: lisage korpuse ülaosale kleeplint või kleeplint, nii et kate libiseb kindlalt ja kindlalt kinni. Lisage teip 2,5 -tollise ¾ -tollise PVC -toru ühte otsa nii, et see libiseb kindlalt ja kindlalt korgi auku. Vajadusel võib PVC teise otsa lisada ka teipi, et tagada pea põhjas olevasse auku sobiv kinnitus.

Samm: valmistage ette elektroonikaplaat

Elektroonikaplaadile kleeplindi paigaldamine: lisage elektroonilise plaadi külgedele kleeplint või kleeplint, nii et see libiseb tihedalt korpuse siseküljel asuvatesse rööbastesse.

MPG-6050 güroskoop/kiirendusmõõtur: jootke tihvtid güroskoobi/kiirendusmõõturi külge, kusjuures tihvtide pikk külg on kiibiga samal pool trükkplaati. Kasutage piisavas koguses kuuma liimi, et kinnitada MPU elektronplaadi alusest väljaulatuva väikese riiuli külge, mis on orienteeritud nii, et tihvtid jäävad riiuli poole plaadist vasakule.

A4988 samm-mootorijuht: keerake väikese kruvikeerajaga iga A4988 samm-mootorimootori väikest voolu piiravat potentsiomeetrit päripäeva nii kaugele kui võimalik. Eemaldage paber mootorijuhtide jahutusradiaatorite lindilt ja kandke trükkplaadi keskel olevate kiipide katmiseks. Kasutage rohkelt kuuma liimi, et kinnitada mootorijuhid (potentsiomeetrid ülespoole) elektroonikaplaadi küljele riiuli vastas MPU -ga, kusjuures tihvtid ulatuvad läbi kahe paari vertikaalse pilu elektroonikaplaadi ülaosas (olge ettevaatlik, et tihvtidele ei satuks liimi, mis peaks MPU -ga samal küljel välja ulatuma). Keerake tõmblukk iga mootori juhi kohal asuvate väikeste aukude kaudu, et see veelgi paremini oma kohale kinnitada.

ESP32 mikrokontroller: asetage mikro -USB -kaabel ESP32 mikrokontrolleri pistikusse (seda kasutatakse trükkplaadi otsa hoidmiseks väikese vahemaa kaugusel elektroonikaplaadist, nii et pärast ESP32 ühendamist oleks tagatud juurdepääs pistikule paika liimitud). Asetage ESP32 nii, et pistik oleks paremal pool kiipide poole, ja kasutage selle kinnitamiseks trükkplaadile piisavalt liimi, kusjuures tihvtid ulatuvad läbi plaadi keskel olevate horisontaalsete pilude küljest MPU külge (hoiduge, et tihvtidele või USB -kaablile liimi ei satuks). Pärast liimi tahkumist eemaldage USB -kaabel.

Samm: elektrooniline vooluring

Üldised juhised: Elektroonikakomponentide ühendamiseks vajalike juhtmestike loomiseks järgige vooluahelat (suure eraldusvõimega versiooni jaoks laadige alla allolev pdf). Ühendusi kahe tihvti vahel saab teha otse üksikute naissoost-naissoost hüppajajuhtmetega. Ühendusi kolme või enama tihvti vahel saab teha allpool kirjeldatud keerukamate juhtmestikega. Rakmed saab luua, lõigates naissoost-džemprid pooleks, seejärel jootes need vastavalt vajadusele koos teiste komponentidega (takistid, kondensaator, pistikud, lühikesed juhtmed) kokku. Kõikidel juhtudel kasutage jootekoha isoleerimiseks termokahanevaid torusid.

Akupakendid: Veenduge, et akud saaksid libiseda 3D -prinditud korpuse põhjas olevatesse piludesse. Kui need ei sobi, kasutage nende vormimiseks faili, kuni need sobivad. Lõigake juhtmed kahest naissoost JST SM pistikupesast (jättes umbes tolli) ja jootke üks igast akupatareist juhtmete külge.

Peamine toitejuhe: põhitoitejuhe saab sisendit kahest isasest JST SM pistikupesast, kusjuures ühe pistiku + juhe ühendatakse teise pistikuga -, et ühendada kaks akut järjestikku (tulemuseks on kombineeritud 12v sisend)). Teised juhtmed on ühendatud 100uF kondensaatori kaudu (puhverpinge naastudesse; selle kondensaatori lühem jalg kinnitub juhtme külge, pikem jalg aga +12v juhtme külge) ja pingejagajaga, mis koosneb 10kohm takistusest (ühendatud juhtmega) ja 26.7kohm takisti (ühendatud +12v juhtmega), kusjuures naissoost hüppaja takistite vahel, mis lähevad ESP32 SVP -pessa (see annab skaleeritud sisendi, mille maksimaalne võimsus on 3,3 V. näidake akudesse jäänud pinget). Täiendavad naissoost džemprid pakuvad samm -draiveritele vastavalt +12v (2 džemprit) ja - sisendeid (2 džemprit) VMOT -i ja naabruses asuvate GND -nööpnõelte jaoks. Lisaks on universaalne aku elimineerimine (UBEC) joodetud +12 V ja-peamise toitejuhtme juhtmed (UBEC sisend on tünnikujulise kondensaatori külg), +5 V ja-UBEC väljunditega naissoost JST SM pistikule.

5V sisend ESP32 -sse: jootke isane JST SM -pistikupesa kahe naissoost hüppajapistikuga, et saada sisendid 5V ja GND sisenditesse ESP32 -le UBEC -st (see pistik võimaldab hõlpsalt lahti ühendada, kui ESP32 toiteallikaks on mikro -USB sisend, kui kood laaditakse mikrokontrollerile).

3,3 V toitejuhe: jootke 7 naissoost džemprit, et ühendada ESP32 3,3 V tihvt MPU VCC tihvtiga, VDD ja MS1 tihvtid igal samm -mootoril ning draiveriga, mis annab LED -silmadele toite (võimaldab hõlpsalt silmade toite lahti ühendada, kui ESP32 saab koodi laadimise ajal toite mikro -USB -lt).

Maandusrakmed: jootke 3 naissoost džemprit, et ühendada ESP32 GND -tihvt iga samm -mootori draiveri GND -tihvtidega (VDD -tihvti kõrval).

Stepper -rakmed: jootke 3 naissoost džemprit, et ühendada ESP32 tihvt P23 iga samm -mootori draiveri ENABLE -tihvtidega.

Ühe hüppajaga pistikud: Üksikuid hüppajaid kasutatakse järgmiste ühenduste tegemiseks:

• GND ESP32 -l kuni GND MPU -l
• P21 ESP32 -st kuni MPL -i SCL -i
• P22 ESP32 -lt MPA -le SDA -le
• P26 ESP32 -l kuni DIR vasakul astmelisel juhil
• P25 ESP32 -l kuni STEP vasakul astmel
• Jumper SLEEP ja RESET vasakul astmel
• P33 ESP32 -lt DIR -le parempoolse astmelise draiveri abil
• P32 ESP32 -l kuni STEP paremale astmelisele draiverile
• Jumper SLEEP ja RESET paremal astmel

UBEC ühendamine: UBEC väljundis oleva naissoost JST SM pistiku saab ühendada sobiva isaspistikuga, mis toidab ja maandab ESP32 5v ja GND sisendeid. See pistik tuleks aga lahti ühendada, kui ESP32 saab toite mikro-USB kaudu (nt koodi laadimise ajal), vastasel juhul häirib ESP32-st peavooluvõrku suunatud tagasivool ESP32 nõuetekohast toimimist.

Elektroonikaplaadi paigaldamine: libistage elektroonikaplaat korpuse siseküljel asuvatesse rööbastesse.

Ühendage mootorikaablid: ühendage vasakpoolsest mootorist pärinevad juhtmed vasaku astmelise juhi külge, nii et sinised, punased, rohelised ja mustad juhtmed ühendatakse vastavalt tihvtidega 1B, 1A, 2A ja 2B. Ühendage parempoolse mootori juhtmed parema samm -ajamiga, sinised, punased, rohelised ja mustad juhtmed ühendatakse vastavalt tihvtidega 2B, 2A, 1A ja 1B (pange tähele, et mootorid on ühendatud peegelpildiga, kuna need on vastupidised suundumused). Pistke liigne mootori juhtmestik korpuse alumisse ossa.

Ühendage akud: libistage akud korpuses olevatesse taskutesse ja ühendage nende naissoost JST SM pistikupesad peamise toitejuhtme sisendi sobivate isaspistikutega (esipatarei juhtmeid saab juhtida auk elektroonikaplaadi keskel, et pääseda juurde tagaolevale pistikule). Akusid saab lahti ühendada, et hõlbustada värskete patareide sisestamist. Kui lülitate mõlema aku toitelüliti väljalülitatud asendisse, lülitatakse vooluahel vooluvõrgust välja (kuna pakendid on järjestikku) - lülitid peavad olema lülitatud sisse, et vooluahel saaks pinget.

Samm: valmistage pea ja silmad ette

Pikendage pea põhjas olevat auku: kasutage 1 -tollist labidapuuri, et suurendada pea põhjas oleva augu sügavust nii, et see lõppeks silmade kõrgusest kõrgemal (kasulik on panna väike tükk) teibi sobivas kohas, et näidata, kui sobiv sügavus on saavutatud). Lükake otsik 2-3”auku enne puurimist, et mitte kahjustada augu ava (soovite, et PVC-toru oleks tihedalt kinnitatud, mis kinnitab selle korpuse korgi külge). Salvestage mõni suurem vahtpolüstürool, et hiljem silmi uuesti täita.

Konksude loomine juhtmete lükkamiseks/tõmbamiseks: painutage jäiga metallvarda ühes otsas väikest N -kuju (seda kasutatakse LED -silmade toitejuhtmete surumiseks läbi vahtpolüstüroolipea). Painutage väikese konksu teise jäiga metallvarda otsa (seda kasutatakse traadi väljapüügiks pea põhjas olevast august).

Juhtmete juhtimine: siduge tihedad sõlmed punaste, kollaste, roheliste ja siniste juhtmete otstesse suured silmused. Töötades ühe traadiga korraga, haakige silmus N -kujulise konksu otsa ja suruge see läbi peasilma, hoides rada horisontaalselt ja sihtides pea keskel oleva augu poole. Kui traat on auku lükatud, haarake konksuga vardast pea allservast ja tõmmake see august välja, tõmmates ka teise varda silmast välja (jättes traadi külge 2–3 tolli) pea põhjas ja silmast rippudes). Korrake protsessi ülejäänud kolme värvilise juhtmega, järgides sama teed silmast keskauguni (kasutage märgistatud tõmblukku, et need juhtmed kokku kinnitada ja näidata, millist silma nad kontrollivad). Korda sama veel 4 juhtmega teises silmas.

RGB -valgusdioodide kinnitamine: lühendage RGB -valgusdioodide juhtmeid, märgistades kindlasti ühise anoodi (pikem juhe ja märkige R -i asukoht (üksik juhe anoodi ühel küljel, nagu on näidatud vooluahela skeemil) ja G- ja B -juhtmed (kaks juhet teisel pool anoodi). Jootke vastavad juhtmed, mis ripuvad ühest silmast LED -i (punane anoodile, kollane R -le, roheline G -le ja sinine B -le), isoleerige ühendused termokahaneva toruga. Lükake LED -i juhtmed pähe, kuid jätke see veidi väljaulatuvaks, kuni seda saab katsetada. Korrake protsessi teise LED -i ja teise silma juhtmetega.

Kinnitage hüppaja juhtmed: jootke 220 -oomine takisti ja naissoost pistikuga hüppetraat iga kollase, rohelise ja sinise juhtme külge, mis ulatuvad pea alt välja. Ühendage kaks punast juhet ja jootke isase pistikuga hüppajaga (märkus: see on ainus vooluahelas vajalik isane hüppaja).

Ühendage džemprid ja kinnitage pea: juhtige džemprid läbi korgis oleva PVC toru ja libistage PVC peas olevasse auku, kinnitades selle korgi külge. Kinnitage meessoost džemprik 3,3 V toitejuhtme naissoost hüppajale ja naissoost RGB džemprid ESP32 külge (vasaku silma kollased, rohelised ja sinised juhtmed vastavalt P4, P0 ja P2 ning kollane, roheline ja sinine) parema silma juhtmed vastavalt P12, P14 ja P27). Lõpuks kinnitage pea/kork põhikorpuse külge.

Samm: laadige kood üles ja installige draiverijaam

HeadBoti koodi installimine ESP32 -le: laadige alla ja installige oma arvutisse Arduino IDE. Külastage aadressi https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa ja klõpsake rohelise nupu „Kloonimine või allalaadimine” all nuppu „Laadi alla Zip”. Teisaldage sisemiselt pakitud kaust arvutisse suvalisse kohta ja nimetage see ümber ursaks

Avage ursa.ino, kasutades Arduino IDE -d. Lisage eelistuste menüüs jaotises „Fail” lisatahvlite halduri URL -idele https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json. Installige espress32 Systems esp32boards menüüst Tools> Board manager. Valige jaotises Tööriistad> Tahvel esp32 dev moodul. Installige raamatukogu PID by Brett Beauregard, klõpsates menüü „Visand” all käsul Halda raamatukogusid.

Ühendage ESP32 USB-MicroUSB-kaabli abil. Valige tahvlid jaotises Tööriistad. Vajutage ja hoidke all ESP32 mikro -USB -pistiku kõrval olevat väikest nuppu "I00", seejärel vajutage Arduino IDE üleslaadimisnuppu ja vabastage "I00", kui Arduino IDE ütleb, et see on "Ühendamine …". Pärast üleslaadimise lõpetamist saab MicroUSB -kaabli lahti ühendada.

HeadBoti draiverijaama installimine: laadige alla ja installige arvutisse Processing. Külastage https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa-ds-prototype ja laadige kood alla. Avage töötlemise IDE abil "ursaDSproto.pde". Installige teegid Ketai, Game Control Plus ja UDP Processing'i teegihalduri kaudu (Sketch> Import Library). Kui kasutate arvutis draivijaama, valige töötlemise akna paremas ülanurgas rippmenüüst Java -režiim; Androidis töötamiseks installige töötlemiseks Androidi režiim, klõpsates paremas ülanurgas rippmenüül „Java”. Seejärel ühendage seade, lubage USB silumine ja valige Androidi režiim. Sõidujaama käivitamiseks klõpsake "Käivita visand". Kui teie arvuti on ühendatud Android -seadmega, installitakse sellele draiverijaam.

Samm: käivitage HeadBot ja häälestage PID -väärtused

Käivitamine: veenduge, et akud on ühendatud ja UBEC -väljund on ühendatud ESP32 sisendpistikuga. Kui Headbot asub külili stabiilses asendis, lülitage see sisse, libistades mõlema aku toitelüliti asendisse ON, jättes Headboti güroskoobi initsialiseerimise ajaks mõneks sekundiks seisma. Pärast lühikest viivitust peaksite nägema Headboti WiFi -signaali (SERT_URSA_00) seadmes, mida kasutate robotti juhtimiseks - valige see ja sisestage parool „Headbot”. Pärast ühenduse loomist käivitage oma telefonis/tahvelarvutis draivijaama rakendus või käivitage oma arvutis töötlemisel draivijaama skript. Pärast programmi käivitamist ja ühenduse loomist peaksite nägema, et „pitch” väärtus hakkab reageerima, näidates Headboti kallutamist.

PID -väärtuste seadistamine: Headboti juhtimiseks peate häälestama PID -väärtused. Siin kirjeldatud Headboti versiooni jaoks. Ajamijaama vasakus ülanurgas ruudul klõpsates kuvatakse väärtuste reguleerimiseks liugurid. Esimesed kolm liugurit on mõeldud P, I ja D nurga (PA, IA ja DA) reguleerimiseks - need väärtused on esmatähtsad, et võimaldada Headbotil tasakaalu säilitada. Alumised kolm liugurit on P, I ja D kiiruse (PS, IS ja DS) reguleerimiseks - need väärtused on olulised, et Headbot saaks sõidukiirust vastavalt juhtkangi sisendile õigesti reguleerida. Headboti selle versiooni head lähteväärtused on PA = 0,08, IA = 0,00, DA = 0,035, PS = 0,02, IS = 0,00 ja DS = 0,006. Pärast nende väärtuste määramist klõpsake draivijaama vasakus ülanurgas asuvat kasti „Salvesta sätted” (see salvestab seaded vastupidavamale vormile, mis säilib ka roboti taaskäivitamisel).

Proovige asju: klõpsake juhtimisjaama paremas ülanurgas asuval rohelisel juhtkangi ribal, et kuvada juhtnupp roboti juhtimiseks. Tõstke Headbot püsti peaaegu tasakaalustatud asendis ja vajutage paremas ülanurgas tumerohelist ruutu Luba ruut (naabruses asuva punase kasti vajutamine keelab bot). Kui kõik läheb hästi, on teil isetasakaalustatud Headbot, kuid suure tõenäosusega peate PID-väärtusi täpsemalt häälestama. Tavaliselt on I või D võrreldes P -ga vähe, nii et alustage sealt. Liiga vähe ja see ei reageeri. Liiga palju ja see võngub edasi -tagasi. Alustage nurga PID väärtustega, tehes väikseid muudatusi, et näha, kuidas asjad on mõjutatud. Mõni nurga silmuse D -termin võib aidata võnkumisi minimeerida, kuid väike kogus võib kiiresti tekitada palju värinat, seega kasutage säästlikult. Kui nurga väärtused on õiged, peaks Headbot vastu pidama mõnele õrnale löögile ilma kukkumiseta. Headboti tasakaalus olles on oodata väikseid tõmbeid, kuna samm-mootorid liiguvad iga reguleerimisega poole sammuga 0,9 kraadi.

Kui tasakaal on saavutatud, proovige sõita juhtkangi väikeste liigutustega, reguleerides kiiruse PID väärtusi, nii et robot reageeriks sujuvalt ja graatsiliselt. I -tähe suurendamine võib olla abiks, kui robot ei jää kindlaksmääratud kiirusele kinni. Olge siiski hoiatatud-kiiruse PID väärtuste muutmine nõuab PID-nurga väärtuste täiendavat kohandamist (ja vastupidi), kuna PID-ahelad interakteeruvad.

Headboti üldise kaalu ja kaalujaotuse muutmine (näiteks prillide, maskide, parukate või mütside kandmisel) nõuab PID -väärtuste täiendavat muutmist. Lisaks, kui kostüümid kaotavad liiga palju tasakaalu, peate võib -olla kohandama ursa.ino koodi algse pitchOffset väärtust ja laadima koodi uuesti ESP32 -le.

Robootikavõistluse teine koht