HeadBot-самобалансиращ се робот за STEM обучение и обхващане: 7 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

Headbot-висок два фута, самобалансиращ се робот-е рожба на екипа на South Eugene Robotics (SERT, FRC 2521), състезателен екип по роботика в гимназията на ПЪРВОТО състезание по роботика, от Юджийн, Орегон. Този популярен робот за популяризиране прави редовни изяви в училища и обществени събития, където привлича тълпи възрастни и деца. Тъй като роботът е едновременно издръжлив и лесен за управление с помощта на телефон или таблет с Android, деца на тригодишна възраст могат да го управляват успешно. И тъй като ботът може да носи голямо разнообразие от шапки, маски и други костюми, това е забавно допълнение към почти всяко събиране. Членовете на SERT използват бота, за да наемат нови членове на екипа и да предизвикат общ интерес към STEM в общността.

Общата стойност на проекта е приблизително 200 долара (ако приемем, че имате 3D принтер и устройство с Android), въпреки че това може да бъде обръснато на по-малко от 100 долара, ако имате добре зареден магазин за електроника с лесен достъп до спойка, термосвиваеми тръби, джъмперни проводници, резистори, кондензатори, батерии и микро USB кабел. Строителството е направо напред, ако вече имате опит с електрониката и предоставя чудесна възможност за желаещите да се учат. За тези със специфичен интерес към роботиката, Headbot също предлага добра платформа за развитие на умения в пропорционално-интегрално-производно (PID) настройване за контрол на обратната връзка.

Консумативи

Обърнете внимание, че списъкът с части по -долу показва броя на необходимите части за всеки тип, а не броя на пакетите. Някои връзки се отнасят до страници, където няколко части могат да бъдат закупени като пакет (което осигурява известна икономия на разходи) - внимавайте да закупите необходимия брой пакети, за да получите подходящия брой части.

Електронни компоненти

• 1x микроконтролер ESP32
• 2x стъпкови двигатели
• 2x A4988 Стъпкови драйвери
• 1x жироскоп/акселерометър MPU-6050
• 1x 100uF кондензатор
• 1x UBEC (Универсална схема за премахване на батерията)
• 1x делител на напрежение (1x 10kohm и 1x 26.7kohm резистор)
• 2x 5 мм общ анод RGB LED светлини
• 6x 220 ома резистори
• Джъмперни проводници (мъжки-мъжки и женски-женски)
• Електрически проводник
• 3x JST SM конектори
• 2x 4-батериен калъф
• Термосвиване
• Припой

Хардуер

• 1x 3D отпечатан корпус, капачка и електрическа платка (вижте инструкциите по -долу)
• 2x 5 "прецизни дискови колела
• 2x 0,770 "главини на колела с отвор 5 мм
• 8x Акумулаторни AA батерии и зарядно устройство
• 1x глава от стиропор
• 1x 2.5 "парче 3/4" PVC тръба (за закрепване на главата)
• 8x заключващи шайби M3 (за монтиране на двигатели)
• 8x M3 x 8mm Винтове (за монтиране на двигатели)
• 8x 6-32 x 3/8 "винтове (за монтиране на колела върху главини)
• 2x ципове
• Канал или Gaff лента
• 2x твърди метални пръти или здрави проводници (например изрязани от телени закачалки) прибл. 12”дълъг

Препоръчителни инструменти

• Стрипер за тел
• Резачка за тел
• Поялник
• Пистолет за горещ въздух
• Електрическа бормашина
• 1 "x 16" лопата бит
• Комплект ключове с шестостен ключ
• Пистолет за горещо лепило
• Микро USB кабел с ъглов щепсел

Стъпка 1: 3D отпечатване на корпуса, капачката и електрониката

3D печат на корпуса, капачката и електрониката. Изтеглете stl файловете тук. Частите трябва да бъдат отпечатани с PLA с разделителна способност 0,25 мм и 20% пълнеж, без да са необходими салове или опори.

Стъпка 2: Добавете двигатели, колела и лента към корпуса

Двигатели: Поставете стъпковите двигатели в долната част на корпуса (с проводниците, излизащи от горната част на двигателите) и ги закрепете с винтове M3x8 мм и шайби с контргайки M3, като използвате подходящ шестостен ключ или отвертка. Поставете главините на колелата върху осите и ги закрепете, като затегнете фиксиращите винтове върху плоската част на оста.

Колела: Разтегнете гумените пръстени около външната страна на диска на колелото. Прикрепете колелата към главините на колелата с винтове 6-32x3/8”. (Колелата може да са плътно прилепнали около главината. Ако е така, позиционирайте възможно най -добре, след това бавно затегнете винтовете малко наведнъж, като се движите от винт на винт и повтаряте, за да позволите на винтовете да издърпат колелото на място.)

Подгответе капачката и PVC тръбата: Добавете тиксо или лента към горната част на корпуса, така че капачката да се плъзга плътно и здраво. Добавете лента към единия край на 2,5”парчето ¾” PVC тръба, така че да се плъзне в отвора на капачката с плътно, здраво прилягане. Ако е необходимо, лентата може да се добави и към другия край на PVC, за да се осигури плътно прилягане в отвора в основата на главата.

Стъпка 3: Подгответе таблото за електроника

Нанесете лента върху електронната платка: Добавете тиксо или лента към страните на електронната платка, така че да се плъзне в релсите от вътрешната страна на корпуса с плътно прилепване.

Жироскоп/акселерометър MPU-6050: Запоявайте щифтовете към жироскоп/акселерометър MPU-6050, с дългата страна на щифтовете от същата страна на платката като чиповете. Използвайте достатъчно количество горещо лепило, за да фиксирате MPU към малкия рафт, излизащ от основата на електронната платка, ориентиран така, че щифтовете да са вляво от дъската, докато сте обърнати към рафта.

A4988 Драйвер на стъпков двигател: Използвайте малка отвертка, за да завъртите малкия ограничаващ тока потенциометър на всеки A4988 стъпков двигател по посока на часовниковата стрелка, доколкото е възможно. Отлепете хартията от лентата на радиаторите за драйверите на двигателя и нанесете, за да покриете чиповете в средата на платката. Използвайте достатъчно горещо лепило, за да закрепите драйверите на двигателя (с потенциометрите отгоре) към страната на електронната платка срещу рафта с MPU, като щифтовете излизат през двете двойки вертикални прорези в горната част на електронната платка (внимавайте да не попадне лепило върху щифтовете, които трябва да стърчат от същата страна като MPU). Прокарайте вратовръзка с цип през малките отвори над всеки двигател, за да я закрепите допълнително.

Микроконтролер ESP32: Поставете микро USB кабел в щепсела на микроконтролера ESP32 (това ще се използва за задържане на края на печатната платка на малко разстояние от електронната платка, така че достъпът до щепсела може да бъде осигурен след като ESP32 е залепен на място). Поставете ESP32 с щепсела отдясно, докато сте обърнати към страната на чипа, и използвайте достатъчно лепило, за да го фиксирате върху платката, като щифтовете излизат през хоризонталните прорези в средата на платката отстрани с MPU (вземете внимавайте да не залепите щифтовете или USB кабела). След като лепилото се втвърди, отстранете USB кабела.

Стъпка 4: Електронни схеми

Общи инструкции: Следвайте електрическата схема (изтеглете pdf по -долу за версия с висока разделителна способност), за да създадете кабелните снопове, необходими за свързване на електронните компоненти. Връзките между два щифта могат да бъдат направени директно с единични проводници женска-женска. Връзки между 3 или повече щифта могат да бъдат направени с по -сложните кабелни снопове, описани по -долу. Кабелите могат да бъдат създадени, като се прережат наполовина женско-женските джъмпери, след което се запояват заедно с други компоненти (резистори, кондензатор, щепсели, къси проводници) според случая. Във всички случаи използвайте термосвиваеми тръби, за да изолирате спойката.

Батерии: Уверете се, че батериите могат да се плъзгат в слотовете в основата на 3D отпечатания корпус. Ако не се поберат, използвайте пила, за да ги оформите, докато не станат. Затегнете проводниците от два от женските JST SM конектори (оставяйки около инч) и запоявайте един към проводниците от всяка батерия.

Основен захранващ кабел: Основният захранващ кабел получава вход от два мъжки JST SM конектора, като + кабелът от единия щепсел се присъединява към - проводника от другия, за да се свържат последователно двата батерии (което води до комбиниран вход 12v). Другите проводници се свързват чрез 100uF кондензатор (за буфериране на скокове на напрежението; по -късият крак на този кондензатор се прикрепя към - проводника, докато по -дългият крак се прикрепя към +12v проводника) и с делител на напрежение, съставен от 10kohm резистор (свързан към - проводника) и резистор от 26,7 kohm (свързан към проводника +12v), с женски джъмпер между резисторите, който ще свърже SVP на ESP32 (това осигурява мащабиран вход с макс. 3.3v, който се използва за осигурете отчитане на оставащото напрежение в батериите). Допълнителните женски джъмпери осигуряват +12v (2 джъмпера) и - входове (2 джъмпера) към VMOT и съседните GND щифтове съответно на стъпковите драйвери. Освен това, универсална елиминация на батерията (UBEC) е запоена към +12v и-проводници на основния кабел (входът към UBEC е страната с кондензатора във формата на цевта), с +5v и-изходите на запоените UBEC към женски JST SM щепсел.

5v вход към ESP32: Запоявайте мъжки JST SM конектор към два женски джъмпера, за да осигурите входове към 5v и GND входовете към ESP32 от UBEC (този щепсел позволява лесно изключване, когато ESP32 се захранва от микро USB вход, когато кодът се зарежда на микроконтролера).

3.3v захранващ кабел: Запоявайте 7 женски джъмпера за свързване на 3.3v щифта на ESP32 към VCC щифта на MPU, VDD и MS1 щифтовете на всеки от драйверите на стъпковия двигател и към мъжкия джъмпер, осигуряващ захранване на LED очите (което позволява лесно прекъсване на захранването на очите, когато ESP32 се захранва от микро USB, докато кодът се зарежда).

Заземяващи снопове: Запояйте 3 женски джъмпера, за да свържете GND щифт на ESP32 към щифтовете GND (до щифта VDD) на всеки от драйверите на стъпков двигател.

Стъпков сноп за активиране: Запоявайте 3 женски джъмпера за свързване на щифт P23 на ESP32 към щифтовете ENABLE на всеки от драйверите на стъпковия двигател.

Съединители с единичен джъмпер: Единичните джъмпери се използват за извършване на следните връзки:

• GND на ESP32 до GND на MPU
• P21 на ESP32 към SCL на MPU
• P22 на ESP32 към SDA на MPU
• P26 на ESP32 към DIR на левия стъпков драйвер
• P25 на ESP32 до STEP на левия стъпков драйвер
• Jumper SLEEP и RESET на левия стъпков драйвер
• P33 на ESP32 към DIR на десния стъпков драйвер
• P32 на ESP32 до STEP на десния стъпков драйвер
• Jumper SLEEP и RESET на десния стъпков драйвер

Свържете UBEC: Женският JST SM щепсел на изхода на UBEC може да бъде включен в съответния мъжки щепсел, който захранва и заземява входовете 5v и GND на ESP32. Този щепсел обаче трябва да се отделя, когато ESP32 се захранва от микро USB (например, докато се зарежда код), или в противен случай обратният ток от ESP32 към основния кабел ще наруши правилното функциониране на ESP32.

Инсталирайте електронната платка: Плъзнете електронната платка в релсите от вътрешната страна на корпуса.

Свържете кабелите на двигателя: Свържете проводниците от левия двигател към левия стъпков драйвер, като сините, червените, зелените и черните проводници са свързани съответно към щифтове 1B, 1A, 2A и 2B. Свържете проводниците от десния двигател към десния стъпков драйвер, като сините, червените, зелените и черните проводници се свързват съответно с щифтове 2В, 2А, 1А и 1В (имайте предвид, че двигателите са свързани по огледален образ, тъй като те имат противоположни ориентации). Пъхнете излишното окабеляване на двигателя в долната част на корпуса.

Свържете батериите: Плъзнете батериите в джобовете им в кутията и свържете техните женски JST SM конектори към съответните мъжки щепсели на входа към основния кабел (кабелите от предната батерия могат да се провеждат през отвор в центъра на електронната платка, за да получите достъп до щепсела отзад). Батериите могат да се разкачат, за да се позволи лесно поставяне на свежи батерии. Включването на превключвателя на захранването на една от батериите в положение изключено ще прекъсне захранването на веригата (тъй като пакетите са последователни) - превключвателите на ботовете трябва да са включени, за да може веригата да бъде захранена.

Стъпка 5: Подгответе главата и очите

Удължете отвора в основата на главата: Използвайте 1 -инчовата бормашина, за да увеличите дълбочината на отвора в долната част на главата, така че да завършва над височината на очите (полезно е да поставите малко парче лента на подходящо място на вала на бита, за да се посочи кога е достигната подходяща дълбочина). Пъхнете накрайника 2-3”в отвора преди пробиване, за да не повредите отвора на отвора (ще искате плътно прилепване към PVC тръбата, което да я закрепи към капачката на корпуса). Запазете някои от по -големите парчета стиропор, за да напълните очите по -късно.

Създайте куки за бутане/издърпване на проводници: В единия край на твърд метален прът огънете малка N форма (това ще се използва за избутване на проводниците за захранване на LED очите през главата на стиропора). Огънете малка кука в края на другия твърд метален прът (това ще се използва за изваждане на жицата от отвора в долната част на главата).

Прокарайте проводници: Вържете големи бримки в краищата на червените, жълтите, зелените и сините проводници, като използвате тесни възли. Работейки с един проводник наведнъж, закачете примката в края на куката с форма на N и я избутайте през ухото на главата, като държите пътеката хоризонтална и насочена към отвора в центъра на главата. Когато проводникът се избута в отвора, използвайте закачащия прът, за да хванете контура от долната част на главата и го издърпайте от отвора, като извадите и другия прът от окото (оставяйки 2-3 инча тел при долната част на главата и висящи от окото). Повторете процеса с останалите три цветни проводника, като следвате същия път от окото до централния отвор (използвайте етикетирана цип вратовръзка, за да закрепите тези проводници заедно и да посочите кое око те контролират). Повторете с още 4 проводника във второто око.

Прикрепете RGB светодиоди: Съкратете проводниците на RGB светодиодите, като внимавате да маркирате общия анод (по -дългия проводник и отбележете местоположението на R (единичния проводник от едната страна на анода, както е показано на електрическата схема) и Кабелите G и B (двата проводника от другата страна на анода). Запоявайте подходящите проводници, които висят от едното око към светодиода (червено към анода, жълто към R, зелено към G и синьо към B), изолирайки връзките с термосвиваеми тръби. Натиснете проводниците на светодиода в главата, но го оставете да изпъкне малко, докато може да бъде тестван. Повторете процеса с другия светодиод и проводниците от другото око.

Прикрепете джъмперните проводници: Запоявайте 220 омов резистор и джъмпер проводник с женски конектор към всеки от жълтите, зелените и сините проводници, които стърчат от долната част на главата. Свържете двата червени проводника и запоявайте към джъмпер с мъжки конектор (забележка: това е единственият мъжки джъмпер, необходим във веригата).

Свържете джъмперите и прикрепете главата: Прекарайте джъмперите през PVC тръбата в капачката и плъзнете PVC в отвора в главата, като го закрепите към капачката. Прикрепете джъмпера за мъжки захранване към женски джъмпер на захранващия кабел 3.3v, а женските RGB джъмпери към ESP32 (жълти, зелени и сини проводници на лявото око към P4, P0 и P2 съответно и жълто, зелено и синьо проводници на дясното око към P12, P14 и P27, съответно). Накрая прикрепете главата/капачката към основния корпус.

Стъпка 6: Качете кода и инсталирайте Driver Station

Инсталиране на кода HeadBot на ESP32: Изтеглете и инсталирайте Arduino IDE на вашия компютър. Посетете https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa и кликнете върху „Изтегляне на Zip“под зеления бутон „Клониране или изтегляне“. Преместете папката с цип навътре навсякъде на компютъра си и я преименувайте на „ursa“

Отворете ursa.ino с помощта на Arduino IDE. В менюто с предпочитания под „Файл“добавете https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json към „Допълнителни URL адреси на мениджъра на табла“. Инсталирайте esp32boards от Espressif Systems под Tools> Board manager. Изберете „esp32 dev module“под Tools> Board. Инсталирайте PID от библиотеката на Brett Beauregard, като щракнете върху „Управление на библиотеки“под менюто „Скица“.

Свържете към ESP32 с помощта на USB-MicroUSB кабел. Изберете дъската под Инструменти. Натиснете и задръжте малкия бутон с надпис „I00“до микро USB конектора на ESP32, след това натиснете бутона за качване на Arduino IDE и освободете „I00“, когато Arduino IDE каже, че е „Свързване …“. След като качването приключи, кабелът MicroUSB може да бъде изключен.

Инсталиране на драйверната станция HeadBot: Изтеглете и инсталирайте Processing на вашия компютър. Посетете https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa-ds-prototype и изтеглете кода. Отворете „ursaDSproto.pde“, като използвате IDE за обработка. Инсталирайте библиотеките Ketai, Game Control Plus и UDP чрез библиотечния мениджър на Processing (Sketch> Import Library). Ако използвате задвижващата станция на вашия компютър, изберете Java Mode от падащото меню в горния десен ъгъл на прозореца Processing; за да го стартирате на Android, инсталирайте Android Mode за обработка, като кликнете върху падащото меню "Java" горе вдясно. След това свържете устройството, активирайте USB отстраняване на грешки, изберете Android режим. За да стартирате задвижващата станция, щракнете върху „Run Sketch“. Ако компютърът ви е свързан с устройство с Android, на него ще бъде инсталирана драйверната станция.

Стъпка 7: Стартирайте HeadBot и настройте PID стойностите

Стартиране: Уверете се, че батериите са свързани и изходът на UBEC е свързан към входния конектор ESP32. Когато Headbot лежи на една страна в стабилно положение, включете захранването, като плъзнете превключвателя за захранване на двете батерии в положение ON, оставяйки Headbot неподвижен за няколко секунди, докато жироскопът се инициализира. След кратко закъснение би трябвало да можете да видите wifi сигнала на Headbot (SERT_URSA_00) на устройството, което ще използвате за управление на бота - изберете го и въведете паролата „Headbot“. След като се осъществи връзка, стартирайте приложението за задвижваща станция на телефона/таблета си или стартирайте скрипта за задвижващата станция в Обработка на вашия компютър. След като програмата се стартира и се осъществи връзка, трябва да видите стойността „pitch“, която започва да реагира, показвайки наклона на Headbot.

Задаване на PID стойности: За да можете да контролирате Headbot, ще трябва да настроите PID стойностите. За описаната тук версия на Headbot. Щракването в квадратчето в горния ляв ъгъл на задвижващата станция ще изведе плъзгачи за регулиране на стойностите. Първите три плъзгача са за регулиране на P, I и D за ъгъла (PA, IA и DA) - тези стойности са от първостепенно значение, за да позволят на Headbot да поддържа баланса си. Долните три плъзгача са за регулиране на P, I и D за скоростта (PS, IS и DS) - тези стойности са важни, за да позволят на Headbot да регулира правилно скоростта на шофиране според входа на джойстика. Добрите начални стойности с тази версия на Headbot са PA = 0.08, IA = 0.00, DA = 0.035, PS = 0.02, IS = 0.00 и DS = 0.006. След като зададете тези стойности, щракнете върху полето „Запазване на настройките“в горния ляв ъгъл на задвижващата станция (това запазва настройките в по -трайна форма, която ще оцелее при рестартиране на бота).

Изпробвайте нещата: Щракнете върху лентата Green Joystick в горния десен ъгъл на задвижващата станция, за да изведете джойстик за управление на робота. Поставете Headbot нагоре в почти балансирана ориентация и натиснете тъмнозеления квадрат за активиране в горния десен ъгъл (натискането на съседното червено поле ще деактивира бота). Ако всичко върви добре, ще имате самобалансиращ се Headbot, но повече от вероятно ще трябва да настроите фино PID стойностите. Обикновено има малко I или D в сравнение с P, така че започнете оттам. Твърде малко и няма да реагира. Твърде много и ще се колебае напред -назад. Започнете Започнете със стойностите на Angle PID, като направите малки промени, за да видите как се влияят нещата. Някои D термин за ъгловия контур може да помогне за свеждане до минимум на трептенията, но малко количество може бързо да доведе до много трептене, така че използвайте умерено. Ако стойностите на ъгъла са правилни, Headbot трябва да устои на някои леки удари, без да падне. Могат да се очакват малки потрепвания, докато Headbot е балансиран, тъй като стъпковите двигатели се движат на половин стъпка от 0,9 градуса с всяка настройка.

След като балансът бъде постигнат, опитайте да шофирате, като правите малки движения на джойстика, като правите малки корекции на стойностите на Speed PID, така че ботът да реагира гладко, грациозно. Увеличаването на термина I може да бъде полезно, за да се предотврати, че роботът не се придържа към зададената скорост. Внимавайте обаче-промените в стойностите на Speed PID ще изискват допълнителни корекции на стойностите на Angle PID (и обратно), тъй като PID контурите взаимодействат.

Промените в общото тегло и разпределението на теглото на Headbot (например, когато носите очила, маски, перуки или шапки) ще изискват допълнително промяна на стойностите на PID. Освен това, ако костюмите изхвърлят твърде много баланса, може да се наложи да промените началната стойност pitchOffset в кода ursa.ino и да презаредите кода в ESP32.

Вицешампион в конкурса по роботика