Початковий задум
Набавившись вдосталь з роботом-черепашкою, вирішили ми створити для нього компаньйона. Задум поступово оформився в наступні ідеї:
- Керування через WiFi навіть при прямому з'єднанні, все ж має деякі затримки на передачу команд. А що, якщо використати для керування звичайні 2.4 GHz радіо-пульти, що використовуються для радіокерованих моделей?
- Наскільки шасі, виготовлене із підручних матеріалів, буде уступати фірмовому заводському?
- Маємо кілька LCD дисплеїв - добре би перевірити наскільки їх зручно використовувати в робототехнічних проектах
- Ніякого більше живлення від NiMH акумуляторів - тільки Li-Ion!
Початково, ми ще хотіли зробити нового робота двоколісним балансуючим, але гіроскоп, який потрапив нам до рук виявився дуже нестабільним. По кількох експериментах ми дали йому спокій і зробили робота трьохколісним.
Використані компоненти
Шасі
Основу робота зібрали із залишків старого дитячого конструктора. Для кріплення двигунів довелося докупити спеціальні кронштейни:
Двигуни звичайні, в комплекті з редукторами.
Головні параметри, за якими треба пильнувати при виборі двигунів, це робоча напруга і максимальна кількість обертів на хвилину.
Вже з самого початку ми знали, що будемо використовувати Li-Ion батарею з двох послідовно з'єднаних елементів 18650. Тому робоча напруга 6-7 вольт підійшла просто ідеально.
З обертами на хвилину ми трохи не вгадали. І для балансуючого робота, і для нашого триколісного, 100 RPM виявилося явно замало. Порада наступникам - беріть 200 RPM. Краще мати трохи запасу по швидкості - потужності двигунів для такого маленького робота завжди буде вдосталь.
Як приємний бонус, в редуктор вмонтовані давачі Холла (так звані енкодери), які дозволяють рахувати реальну кількість обертів, які виконує двигун. Саме для зчитування цих показників і використовується жмут додаткових провідників. Ми ці показники не читаємо і не враховуємо. Але якби треба було - можливість є.
Отриманий двоколісний візочок став надійною основою для робота. Можливість добудовувати на ньому які-завгодно конструкції з елементів конструктора дають практично необмежені можливості роботодизайнеру.
Електронна начинка
Загальна схема
В схему включено мінімальний набір компонентів, необхідний для пересуванням робота та реагування на команди пульта радіокерування. Рідкокристалічні екранчики додані з косметичною метою - їхня присутність необов'язкова.
Мікроконтролер
В принципі, в габарити нашого шасі можна вписати плату мікроконтролера майже будь-якого типу. Але нам було цікаво поекспериментувати з Arduino Nano. Оскільки під'єднувати до нього провідники не дуже зручно - ми зразу ж в комплекті взяли плату розширення, яка виводить всі контакти Nano в окремі зручні до під'єднання роз'єми.
Єдине чого бракнуло у платі розширення - розпаяного контакту підводу зовнішнього живлення Vin. Але відповідне гніздо у платі було - до нього легко припаялася стандартна гребінка.
Система живлення
Живлення побудоване на основі двох елементів Li-Ion 18650 (типу таких), з'єднаних послідовно. В основу покладено ідеї, описані в попередній статті (Як нагодувати робота).
Для керування батареєю використали контролер батареї 2S - саме ця маленька платка відповідає за захист елементів батареї від надмірного заряджання чи розряджання.
Для заряджання батареї ми купили універсальний пристрій Eachine WT50. З усіх варіантів, саме він здався нам найбільш дружелюбним, і універсальним. Кабелі, які ідуть в комплекті з ним передбачають під'єднання батарей за допомогою T-подібного штекера. Саме такі ми поставили і на нашу батарею.
Простий двохпозиційний вимикач зі старої китайської іграшки під'єднує позитивну лінію батареї або до першого Т-подібного гнізда, або до другого. Технічно - обидва гнізда абсолютно ідентичні. Одне з них можна використовувати для живлення робота, інше - для під'єднання зарядного пристрою. Вимикач дозволяє відімкнути робота від живлення, і захистити його від потенційно небезпечних навантажень, які можуть виникнути під час заряджання батареї.
Драйвер двигунів
В ролі драйвера двигунів використовуємо версію на базі елемента L298N. Особливістю саме цього модуля є наявність схеми перетворення живлення.
Детальніше про використання такого модуля драйвера можна почитати тут (англ), тут (рос.) або тут (рос.).
Ключові кроки:
- Живлення двигунів подаємо на вхід +12V (насправді тут буде 7.2 V, отримані з нашої батареї)
- Замикаємо перемичку біля входу +12V, щоб задіяти схему перетворення напруги
- До виводу +5V підключаємо лінію живлення всіх схем робота
- Двигуни під'єднуємо до відповідних роз'ємів OUT1-4
- Контакти ENA та ENB на +5 V НЕ ЗАКОРОЧУЄМО, а під'єднуємо до PWM виводів Arduino Nano. Так ми зможемо керувати швидкістю обертання двигунів.
- Контакти IN1-4 під'єднуємо до будь-яких виводів мікроконтролера. Виставляючи різні комбінації напруги на цих виводах ми зможемо задавати напрямок обертання двигунів.
Програмний код для керування драйвером двигунів зведений в один максимально спрощений клас (модуль).
Для початку роботи з ним - створюємо об'єкт цього класу, вказавши номери виводів Arduino, до яких ми під'єднали керуючі лінії драйвера:
const uint8_t ENA = 10; const uint8_t IN1 = 9; const uint8_t IN2 = 8; const uint8_t IN3 = 7; const uint8_t IN4 = 6; const uint8_t ENB = 5; MotorL298NController motorController(ENA, IN1, IN2, ENB, IN3, IN4);
Потім в будь-якому місці програми можна викликати метод go() створеного об'єкта, передаючи як параметр бажану швидкість двигунів. Значення швидкості може змінюватися від -255 (повний назад) до +255 (повний вперед). Виклик методу з одним параметром запустить двигуни на однаковій швидкості. Виклик методу з двома параметрами дозволяє встановлювати швидкість кожного двигуна окремо.
motorController.go(255); // повний вперед! motorController.go(255,100); // плавно повертаємо по дузі вправо
Зверніть увагу - двигуни не будуть обертатися при значеннях швидкості близьких до нуля. В нашому випадку - двигуни зовсім не реагують на швидкості в діапазоні від -30 до +30. Але при цьому можуть досить противно пищати. Щоб цього уникнути - знайдіть робочий діапазон швидкостей для ваших двигунів, і уникайте цієї мертвої зони. Нижче я покажу як ми уникали цього ефекту в нашій програмі.
Система радіокерування
Базові принципи
Пульти керування фірми FlySky це саме те, що потрібно для аматорів нашого рівня. Досить недорогі, вони все ж багаті функціями. Хоча в цьому проекті ми використали лише два канали з шести, і то в найпростішому режимі PWM, все ж варто брати апаратуру із запасом. Різниця в ціні не настільки суттєва, а в майбутньому вам точно захочеться поекспериментувати з додатковими функціями.
Система радіокерування складається з двох частин - пульта керування (передавача) і приймача. За допомогою радіохвиль стан перемикачів і важелів на пульті передається на приймач, і приймач вже передає цю інформацію до виконавчих механізмів моделі чи робота. Сучасні системи забезпечують передачу інформації і в зворотному напрямку - тобто ваша радіокерована модель може передавати дані про свій стан (наприклад заряд батареї чи температуру двигунів) назад на пульт керування, і ця інформація буде відображатися на екранчику пульта.
Виконавчі механізми у більшості випадків це або двигуни, які запускаються подаванням високої напруги на якесь реле, або сервомашинки, які керуються спеціальним сигналом з використанням Широтно-Імпульсної Модуляції (ШІМ або PWM - див попередній допис на цю тему). Перші версії систем радіокерування проектувалися саме із такою задумкою - щоб можна було підключити сервомашинку прямо до гнізда приймача і відхилення важеля на пульті керування негайно відгукувалося відхиленням сервомашинки від початкового положення. Для такого під'єднання навіть нічого перепаювати не треба - сервомашинка разом із керуючим сигналом отримає і +5V живлення та GND. Більше того - PWM сигнал є абсолютно таким же ж, який видає на свої виводи Arduino.
Відповідно в приймачі шестиканальної системи буде 6 трьохконтактних гнізд, до яких можна підключити 6 сервомашинок (або інших пристроїв).
Наступним кроком еволюції стало створення протоколу PPM (Pulse Position Modulation). Його ще деколи називають CPPM або PPMSUM. Задумка в тому, щоб одним каналом передавати інформацію про кілька важелів керування одночасно. Спочатку передається імпульс про положення першого важеля, потім другого і так далі. Таким чином для керування багатьма пристроями (аж до 12 ) достатньо одного радіоканалу, і одного роз'єму на приймачі. Однак використовувати PPM сигнал напряму з приймача не можна. Його треба спочатку розшифрувати і розділити на складові, окремі для кожного виконавчого механізму.
Ще складнішим є сімейство протоколів Serial RX. На відміну від попередніх він є цифровим. Тут вже не треба міряти тривалість імпульсу в мікросекундах і на основі цього намагатися зрозуміти до якої швидкості слід розігнати двигун, чи наскільки повернути сервомашинку. Вся інформація передається у вигляді одиничок і нуликів, і на виході ми отримуємо інформацію у вигляді "Канал 1: 1345; Канал 2: 1800". Проблема лише в тому, що кожен виробник використовує свій протокол (S.Bus, i-Bus, XBus, Graupner Hott) і між собою вони несумісні. Свій цифровий протокол мають і системи від FlySky.
Більше деталей про ті всі протоколи можна прочитати в спеціалізованих статтях (англ.). Ми ж зупинимося на найпростішому варіанті - протоколі PWM. SparkFun має гарну статтю (англ.) про те, як підключити приймач системи радіокерування до Arduino.
Підключення приймача
Все що треба для підключення - завести на приймач лінії живлення від Arduino (+5V та GND - вони є спільними для всіх каналів). Сигнальні виводи каналів треба підключити напряму до будь-яких цифрових виводів Arduino.
Набагато складнішим може бути правильне налаштування пульта керування. Знайти які саме канали відповідають яким саме важелям керування на пульті. А також не забудьте перевести потрібні вам канали в режим PWM.
Приймач на робота можна монтувати як завгодно. А от зовнішню антену - з виконанням певних рекомендацій:
- Бажано уникати контакту антени з металевими елементами корпусу робота
- Якщо антена має два відгалуження - бажано розвести їх під прямим кутом один відносно другого.
Читання в програмі команд з пульта
В програмному коді працюємо з радіо каналами наступним чином:
- Переконуємося, що виводи, під'єднані до радіоприймача переведені в режим вводу:
pinMode(RC_CH_TURN, INPUT); pinMode(RC_CH_THROTTLE, INPUT);
- Визначаємо тривалості імпульсу на каналі ручки газу та на каналі повороту
long chThrottle = pulseIn(RC_CH_THROTTLE, HIGH, 30000); long chTurn = pulseIn(RC_CH_TURN, HIGH, 30000);
В нашому випадку (на Arduino Nano) довелося передати третім параметром 30000. При менших значеннях сигнал не зчитувався правильно. - Значення тривалості імпульсу менші, ніж 900, означають, що канал не підключено. Можливо приймач взагалі не отримує сигналу з пульта. Краще тоді взагалі зупинити двигуни повністю і не робити нічого.
- Значення від 900 до 1000 також ігноруємо. Щоб надійно зафіксувати робота в точці зупинки і не смикати його даремно через випадковий шум.
- Беремо до уваги лише значення від 1000 до 2000 і пропорційно "розмазуємо" їх по шкалі швидкості двигуна (від 30 до 255). Про 30 - пам'ятаєте? На менших швидкостях мотори будуть противно свистіти, але з місця зрушити не зможуть
speedL = map(chThrottle, 1000, 2000, 30, 255);
- Далі вже починається проста логіка опрацювання крутості повороту і віддавання остаточної команди двигунам на зміну швидкості.
Зверніть увагу - значення тривалостей імпульсів, так само як і діапазон робочих швидкостей моторів, у вас можуть трохи відрізнятися. Будьте готові підбирати потрібні вам значення експериментальним шляхом.
Інформаційні екранчики
Передній графічний 128x64
Для розширення сценічного образу робота ми на нього повішали два екранчики.
Передній - для малювання смайликів і відображення емоцій. Це графічний одноколірний LCD екран 128x64 пікселів, підключений до мікроконтролера шиною I2C - тобто за допомогою двох сигнальних провідників.
Вся робота з ним відбувається через бібліотеку U8g2, яку можна підключити прямо в середовищі програмування Arduino. Все що ми робимо зараз - малюємо щасливий смайлик, який не сходить з лиця робота весь час, поки він працює:
U8G2_SH1106_128X64_NONAME_1_HW_I2C u8g2(U8G2_R0); … u8g2.begin(); u8g2.firstPage(); do { u8g2.drawLine(41, 8, 45, 32); u8g2.drawLine(83, 8, 87, 32); u8g2.drawEllipse(65, 43, 29, 8, U8G2_DRAW_LOWER_LEFT | U8G2_DRAW_LOWER_RIGHT); u8g2.drawLine(73, 51, 78, 55); u8g2.drawLine(61, 51, 66, 55); u8g2.drawLine(67, 51, 72, 57); u8g2.drawEllipse(72, 55, 6, 8, U8G2_DRAW_LOWER_LEFT | U8G2_DRAW_LOWER_RIGHT); } while (u8g2.nextPage());
Спробуйте змінювати смайлик на здивований, якщо робот не може встановити зв'язок із пультом керування :-)
Задній текстовий екран 1602
Позаду робота розмістився екран, на якому ми показуємо в текстовому форматі додаткову відлагоджувальну інформацію.
Цифри 1602 в назві екранчика означають, що він може показати два рядки по 16 символів в кожному. Цей екран також підключений до мікроконтролера через шину I2C, що дозволило зекономити з десяток виводів Arduino та ще й розділити цю шину з переднім екранчиком.
Робота з такими екранами відбувається за допомогою бібліотеки LiquidCrystal-I2C. Приклади з нашого коду:
// I2C адреса = 0x27, 16 символів, 2 рядки LiquidCrystal_I2C backLCD = LiquidCrystal_I2C(0x27, 16, 2); … // ініціалізуємо backLCD.init(); // вимикаємо автопрокрутку backLCD.noAutoscroll(); // вмикаємо підсвітку backLCD.backlight(); // виводимо якийсь текст backLCD.print("Initializing...");
Єдиним не зовсім очевидним кроком може бути вгадування адреси I2C до якої треба звертатися, щоб працювати з конкретними пристроями. Зазвичай вони співпадають з тими, які показані в прикладах. Для пошуку адрес, на які налаштовані I2C пристрої також можна використати програмку I2C Scanner.
В загальному про роботу з I2C шиною можна почитати на форумі Ніка Гаммона (англ.). Або подивитися у Джеремі Блума (англ. або рос.).
Немає коментарів:
Дописати коментар