HeadBot - un robot de auto-echilibrare pentru învățarea și extinderea STEM: 7 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Headbot - un robot cu auto-echilibrare înalt de doi metri - este ideea echipei South Eugene Robotics (SERT, FRC 2521), o echipă competitivă de robotică din liceul din FIRST Robotics Competition, din Eugene, Oregon. Acest popular robot de informare face apariții regulate la școli și evenimente comunitare, unde atrage mulțimi de adulți și copii. Deoarece robotul este atât durabil, cât și ușor de utilizat cu ajutorul unui telefon sau tabletă Android, copiii de până la trei ani îl pot conduce cu succes. Și pentru că robotul poate îmbrăca o mare varietate de pălării, măști și alte costume, este un plus distractiv pentru aproape orice adunare. Membrii SERT folosesc botul pentru a recruta noi membri ai echipei și pentru a inspira un interes general în STEM în comunitate.

Costul total al proiectului este de aproximativ 200 USD (presupunând că aveți o imprimantă 3D și un dispozitiv Android), deși acesta poate fi ras până la mai puțin de 100 USD dacă aveți un magazin de electronice bine aprovizionat, cu acces ușor la tuburile de lipit, termocontractabile, fire jumper, rezistențe, condensatori, baterii și un cablu micro USB. Construcția este simplă dacă aveți deja o experiență electronică și oferă o oportunitate excelentă pentru cei care doresc să învețe. Pentru cei cu un interes specific în robotică, Headbot oferă, de asemenea, o platformă bună pentru dezvoltarea abilităților în reglarea proporțională-integrală-derivată (PID) pentru controlul feedback-ului.

Provizii

Rețineți că lista pieselor de mai jos indică numărul de piese necesare pentru fiecare tip, nu numărul de pachete. Unele linkuri se referă la pagini în care mai multe piese pot fi achiziționate sub formă de pachet (ceea ce oferă unele economii de costuri) - aveți grijă să vă asigurați că achiziționați numărul de pachete necesare pentru a obține un număr adecvat de piese.

Componente electronice

• 1x microcontroler ESP32
• 2x motoare pas cu pas
• 2 x A4988 Drivere cu motor pas cu pas
• 1x giroscop / accelerometru MPU-6050
• 1x condensator 100uF
• 1x UBEC (circuit universal de eliminare a bateriei)
• 1x divizor de tensiune (1x rezistor de 10kohm și 1x 26,7kohm)
• 2x lumini LED RGB cu anod comun
• Rezistoare 6x 220 ohm
• Jumper Wires (bărbat-bărbat și femeie-femeie)
• Fir electric
• 3 prize JST SM pentru conector
• 2x carcasă cu 4 baterii
• Reduceți căldura
• Solder

Hardware

• 1x carcasă, capac și tablă electrică imprimată 3D (consultați instrucțiunile de mai jos)
• 2 roți de disc de precizie de 5"
• 2x Butucuri roți de 0,770 "cu alezaj de 5 mm
• 8x baterii reîncărcabile AA și încărcător
• 1x cap de spumă de poliester
• 1 bucată de 2,5 "țeavă de 3/4" din PVC (pentru atașarea capului)
• 8x șaibe de blocare M3 (pentru montarea motoarelor)
• Șuruburi 8x M3 x 8mm (pentru montarea motoarelor)
• Șuruburi 8x 6-32 x 3/8 "(pentru montarea roților pe butuci)
• 2x Zipties
• Bandă pentru conducte sau Gaff
• 2x tije metalice rigide sau fire rezistente (de exemplu, tăiate din umerașe de sârmă) aprox. Lung de 12”

Instrumente recomandate

• Stripper de sârmă
• Cleste de sarma
• Ciocan de lipit
• Pistol cu aer cald
• Bormasina electrica
• 1 "x 16" Spade Bit
• Set chei hexagonale
• Hot Glue Gun
• Cablu micro USB cu mufă unghiulară

Pasul 1: Imprimați 3D carcasa, capacul și placa electronică

Imprimați 3D carcasa, capacul și placa electronică. Descărcați fișierele STL aici. Părțile trebuie imprimate cu PLA la o rezoluție de 0,25 mm și o umplutură de 20%, fără plute sau suporturi necesare.

Pasul 2: Adăugați motoare, roți și bandă în carcasă

Motoare: Plasați motoarele pas cu pas în partea inferioară a carcasei (cu firele care ies din partea superioară a motoarelor) și fixați-le cu șuruburi M3x8mm și șaibe M3 cu piulițe de blocare, folosind o cheie hexagonală sau o șurubelniță corespunzătoare. Așezați butucii roților pe axe și fixați-le strângând șuruburile de fixare pe partea plană a osiei.

Roți: întindeți inelele de cauciuc în jurul exteriorului discului roții. Atașați roțile pe butucii roților cu șuruburile de 6-32x3 / 8”. (Roțile pot fi potrivite strâns în jurul butucului. Dacă da, poziționați cât mai bine posibil, apoi strângeți încet șuruburile puțin câteodată, trecând de la șurub la șurub și repetând, pentru a permite șuruburilor să tragă roata în poziție.)

Pregătiți capacul și conducta din PVC: Adăugați bandă de conductă sau gaff în partea superioară a carcasei, astfel încât capacul să alunece cu o fixare confortabilă și sigură. Adăugați bandă la un capăt al piesei de 2,5”de țeavă din PVC de ¾”, astfel încât să alunece în gaura din capac cu o fixare confortabilă și sigură. Dacă este necesar, banda poate fi adăugată și la celălalt capăt al PVC-ului pentru a asigura o fixare perfectă în gaura de la baza capului.

Pasul 3: Pregătiți placa electronică

Aplicați bandă pe placa electronică: adăugați bandă pentru conducte sau gaff pe părțile laterale ale plăcii electronice, astfel încât să alunece în șinele din interiorul carcasei, cu o potrivire perfectă.

Giroscopul / accelerometrul MPU-6050: lipiți pinii cu giroscopul / accelerometrul MPU-6050, cu partea lungă a pinilor de pe aceeași parte a plăcii de circuite ca chipsurile. Folosiți o cantitate amplă de adeziv fierbinte pentru a fixa MPU pe raftul mic care iese din baza plăcii de electroni, orientat astfel încât știfturile să fie în stânga plăcii în timp ce vă confruntați cu raftul.

Driver de motor pas cu pas A4988: Utilizați o șurubelniță mică pentru a roti potențiometrul mic de limitare a curentului de pe fiecare driver de motor pas cu pas A4988 în sensul acelor de ceasornic, până la capăt. Îndepărtați hârtia de pe banda de pe radiatoarele pentru driverele motorului și aplicați pentru a acoperi cipurile din mijlocul plăcii de circuit. Folosiți un adeziv fierbinte suficient pentru a fixa driverele motorului (cu potențiometrele în partea de sus) pe partea plăcii electronice opusă raftului cu MPU, cu știfturile care ies în afară prin cele două perechi de fante verticale din partea superioară a plăcii electronice (aveți grijă să nu obțineți lipici pe știfturi, care ar trebui să iasă pe aceeași parte ca MPU). Infilați o cravată cu fermoar prin orificiile mici de deasupra fiecărui șofer pentru a o fixa în continuare în poziție.

Microcontroler ESP32: Plasați un cablu micro USB în mufa microcontrolerului ESP32 (acesta va fi utilizat pentru a menține capătul plăcii de circuite la o distanță mică de placa electronică, astfel încât accesul la mufă să fie asigurat după ce ESP32 este lipite pe loc). Poziționați ESP32 cu ștecherul din dreapta în timp ce vă confruntați cu partea cipului și utilizați un adeziv suficient pentru a-l fixa pe placa de circuit, cu știfturile care ies în afară prin fantele orizontale din mijlocul plăcii în lateral cu MPU (luați aveți grijă să nu obțineți lipici pe pini sau pe cablul USB). După ce lipiciul se întărește, scoateți cablul USB.

Pasul 4: Circuite electronice

Instrucțiuni generale: Urmați schema circuitului (descărcați pdf-ul de mai jos pentru o versiune de înaltă rezoluție) pentru a crea cablajele necesare conectării componentelor electronice. Conexiunile între doi pini pot fi făcute direct cu fire jumper feminin-feminin. Conexiunile între 3 sau mai mulți pini pot fi realizate cu cablajele mai complexe descrise mai jos. Hamurile pot fi create prin tăierea jumperilor femeie-femeie, apoi lipirea lor împreună cu alte componente (rezistențe, condensator, prize, fire scurte), după caz. În toate cazurile, utilizați tuburi termocontractabile pentru a izola îmbinarea de lipit.

Pachete de baterii: asigurați-vă că pachetele de baterii pot aluneca în sloturile de la baza carcasei imprimate 3D. Dacă nu se potrivesc, utilizați un fișier pentru a le modela până când se potrivesc. Decupați firele de la două dintre mufele conectorului JST SM (lăsând aproximativ un inch) și lipiți unul pe cablurile de la fiecare acumulator.

Cablul de alimentare principal: Cablul de alimentare principal primește intrarea de la două prize masculine ale conectorului JST SM, cu cablul + de la o priză conectat la - cablul de la celălalt pentru a conecta cele două acumulatoare în serie (rezultând o intrare combinată de 12v). Celelalte cabluri sunt unite prin condensatorul 100uF (pentru a tampona vârfurile de tensiune; piciorul mai scurt al condensatorului se atașează la - plumb, în timp ce piciorul mai lung se atașează la plumbul + 12v) și cu un divizor de tensiune format dintr-un rezistor de 10 kohm (conectat la - plumb) și un rezistor de 26,7 kohm (conectat la plumbul + 12v), cu un jumper feminin dintre rezistențe care merge la pinul SVP pe ESP32 (acesta oferă o intrare scalată cu un maxim 3,3v care este folosit pentru furnizați o citire a tensiunii rămase în acumulatori). Jumperii de sex feminin suplimentari asigură + 12v (2 jumperi) și - intrări (2 jumperi) către pinii VMOT și, respectiv, GND vecini, pe driverele pas cu pas. În plus, o eliminare a bateriei universale (UBEC) este lipită la + 12v și - cablurile cablajului principal (intrarea în UBEC este partea cu condensatorul în formă de butoi), cu + 5v și - ieșirile UBEC lipite la o mufă JST SM de sex feminin.

Intrare 5v la ESP32: lipiți un conector JST SM de sex masculin la două prize jumper feminine, pentru a furniza intrări la intrările de 5v și GND la ESP32 de la UBEC (această mufă permite o deconectare ușoară atunci când ESP32 este alimentat de intrare micro USB, pentru când codul este încărcat pe microcontroler).

Cablu de alimentare de 3,3 V: lipiți 7 jumperi de sex feminin pentru a conecta pinul de 3,3 V de pe ESP32 la pinul VCC de pe MPU, pinii VDD și MS1 de pe fiecare dintre driverele motorului pas cu pas și la jumperul de sex masculin care furnizează alimentare ochilor LED (permițând o deconectare ușoară a alimentării cu ochii, atunci când ESP32 este alimentat de la micro USB în timp ce codul este încărcat).

Ham de la sol: lipiți 3 jumperi de sex feminin pentru a conecta un pin GND de pe ESP32 la pinii GND (lângă pinul VDD) pe fiecare dintre driverele motorului pas cu pas.

Cablaj activare pas cu pas: lipiți 3 jumperi femele pentru a conecta pinul P23 de pe ESP32 la pinii ENABLE de pe fiecare dintre driverele motorului pas cu pas.

Conectori jumper jumper: jumper jumătate sunt utilizate pentru a face următoarele conexiuni:

• GND pe ESP32 la GND pe MPU
• P21 pe ESP32 la SCL pe MPU
• P22 pe ESP32 la SDA pe MPU
• P26 pe ESP32 către DIR pe driverul pas cu pas stânga
• P25 de pe ESP32 la STEP pe driverul pas cu pas stânga
• Jumper SLEEP și RESET pe driverul pas cu pas stânga
• P33 pe ESP32 către DIR pe driverul pas cu pas potrivit
• P32 de pe ESP32 la STEP pe driverul pas cu pas potrivit
• Jumper SLEEP și RESET pe driverul pas cu pas potrivit

Conectați UBEC: mufa JST SM de la ieșirea UBEC poate fi conectată la mufa potrivită tată care alimentează și împământă intrările de 5v și GND de pe ESP32. Cu toate acestea, această fișă ar trebui să fie detașată atunci când ESP32 este alimentat de un micro USB (de exemplu, în timp ce se încarcă codul) sau altfel un curent invers de la ESP32 la cablajul principal va perturba funcționarea corectă a ESP32.

Instalați placa electronică: glisați placa electronică în șinele din interiorul carcasei.

Conectați cablurile motorului: Conectați cablurile de la motorul stâng la driverul pas cu pas stâng, cu firele albastre, roșii, verzi și negre conectate la pinii 1B, 1A, 2A și respectiv 2B. Conectați cablurile de la motorul drept la driverul pas cu pas corect, cu firele albastre, roșii, verzi și negre care se conectează la pinii 2B, 2A, 1A și respectiv 1B (rețineți că motoarele sunt conectate în modul oglindă, deoarece au orientări opuse). Introduceți cablurile excesive ale motorului în partea inferioară a carcasei.

Conectați pachetele de baterii: glisați pachetele de baterii în buzunarele lor din carcasă și conectați mufele conectorului lor feminin JST SM la mufele masculine potrivite de la intrare la cablajul principal (cablurile din pachetul de baterii frontale pot fi ghidate prin orificiu în centrul plăcii electronice pentru a avea acces la mufa din spate). Pachetele de baterii pot fi deconectate pentru a permite introducerea ușoară a bateriilor proaspete. Dacă porniți comutatorul de alimentare al oricărui acumulator în poziția oprit se va deconecta alimentarea circuitului (deoarece pachetele sunt în serie) - comutatoarele de pe spatele botului trebuie să fie activate pentru ca circuitul să fie alimentat.

Pasul 5: Pregătiți capul și ochii

Extindeți orificiul de la baza capului: utilizați burghiul de 1”pentru a crește adâncimea găurii din partea inferioară a capului, astfel încât să se termine deasupra înălțimii ochilor (este util să puneți o bucată mică de bandă la o locație adecvată pe arborele biței pentru a indica când a fost atinsă o adâncime adecvată). Împingeți tija de 2-3”în gaură înainte de găurire pentru a nu deteriora deschiderea găurii (veți dori o fixare strânsă pe conducta din PVC care să o fixeze la capacul carcasei). Salvați câteva dintre bucățile mai mari de spumă de poliester pentru a umple ochii mai târziu.

Creați cârlige pentru împingerea / tragerea firelor: La un capăt al unei tije metalice rigide, îndoiți o formă mică de N (aceasta va fi utilizată pentru a împinge firele pentru alimentarea ochilor LED prin capul din spumă poliesterică). Îndoiți un cârlig mic pe capătul celeilalte tije metalice rigide (acesta va fi folosit pentru a pescui firul din gaura din partea de jos a capului).

Executați firele: legați bucle mari în capetele firelor roșii, galbene, verzi și albastre, folosind noduri strânse. Lucrând cu un fir la rând, agățați bucla de la capătul cârligului în formă de N și împingeți-l prin ochiul capului, păstrând calea orizontală și țintind spre gaura din centrul capului. Când firul este împins în gaură, utilizați tija cu cârlig pentru a apuca bucla din partea de jos a capului și trageți-o din gaură, extragând și cealaltă tijă din ochi (lăsând 2-3 inci de sârmă la partea de jos a capului și agățată de ochi). Repetați procesul cu celelalte trei fire colorate, urmând aceeași cale de la ochi la gaura centrală (utilizați o cravată cu fermoar etichetat pentru a fixa aceste fire împreună și indicați ce ochi controlează). Repetați cu încă 4 fire în al doilea ochi.

Atașați LED-uri RGB: Scurtați cablurile de pe LED-urile RGB, asigurându-vă că marcați anodul comun (cablul mai lung și notați locația lui R (cablul unic pe o parte a anodului, așa cum se arată pe schema circuitului) și Conductoare G și B (cele două conducte de pe cealaltă parte a anodului). Lipiți firele corespunzătoare care atârnă de la unul dintre ochi la LED (roșu la anod, galben la R, verde la G și albastru la B), izolând conexiunile cu tuburi termocontractabile. Împingeți cablurile LED-ului în cap, dar lăsându-l să iasă puțin până când poate fi testat. Repetați procesul cu celălalt LED și firele de la celălalt ochi.

Atașați firele jumper: lipiți un rezistor de 220 ohm și un fir jumper cu conector feminin pe fiecare dintre firele galbene, verzi și albastre care ies din partea inferioară a capului. Alăturați-vă cele două fire roșii și lipiți-le la un jumper cu un conector tată (notă: acesta este singurul jumper tată necesar în circuit).

Conectați jumperii și atașați capul: Treceți jumperii prin tubul din PVC din capac și glisați PVC-ul în orificiul din cap, fixându-l pe capac. Atașați jumperul de alimentare masculin la un jumper de sex feminin de pe cablajul de alimentare de 3,3 v, iar jumperii RGB de sex feminin la ESP32 (fire galbene, verzi și albastre ale ochiului stâng la P4, P0 și respectiv P2 și galben, verde și albastru firele ochiului drept la P12, P14 și respectiv P27). În cele din urmă, atașați capul / capacul pe carcasa principală.

Pasul 6: Încărcați codul și instalați stația de conducere

Instalarea codului HeadBot pe ESP32: Descărcați și instalați Arduino IDE pe computer. Accesați https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa și faceți clic pe „Descărcați Zip” sub butonul verde „Clonează sau Descărcați”. Mutați folderul închis în interiorul dvs. oriunde pe computer și redenumiți-l în „ursa”

Deschideți ursa.ino folosind IDE Arduino. În meniul de preferințe de sub „Fișier”, adăugați https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json la „Adresele suplimentare ale administratorului plăcilor”. Instalați esp32boards de Espressif Systems în Instrumente> Manager de bord. Alegeți „esp32 dev module” în Instrumente> Placă. Instalați biblioteca PID by Brett Beauregard făcând clic pe „Gestionați bibliotecile” din meniul „Schiță”.

Conectați-vă la ESP32 utilizând cablul USB-MicroUSB. Selectați placa sub Instrumente. Țineți apăsat butonul mic etichetat „I00” de lângă conectorul micro USB de pe ESP32, apoi apăsați butonul de încărcare de pe Arduino IDE și eliberați „I00” când Arduino IDE spune că este „Conectarea …”. După finalizarea încărcării, cablul MicroUSB poate fi deconectat.

Instalarea stației de driver HeadBot: Descărcați și instalați Procesarea pe computer. Accesați https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa-ds-prototype și descărcați codul. Deschideți „ursaDSproto.pde” utilizând IDE de procesare. Instalați bibliotecile Ketai, Game Control Plus și UDP prin intermediul managerului de bibliotecă al procesării (Sketch> Import Library). Dacă rulați stația de unitate pe computer, selectați Mod Java în meniul derulant din partea dreaptă sus a ferestrei Procesare; pentru a-l rula pe Android, instalați modul Android pentru procesare făcând clic pe meniul derulant „Java” din dreapta sus. Apoi, conectați dispozitivul, activați depanarea USB, selectați modul Android. Pentru a rula stația de unitate, dați clic pe „Rulați schița”. Dacă computerul dvs. este conectat la un dispozitiv Android, stația de șofer va fi instalată pe acesta.

Pasul 7: Porniți HeadBot și reglați valorile PID

Pornire: asigurați-vă că bateriile sunt conectate și că ieșirea UBEC este conectată la conectorul de intrare ESP32. Cu Headbot întins pe lateral într-o poziție stabilă, porniți prin glisarea comutatorului de alimentare de pe ambele pachete de baterii în poziția ON, lăsând Headbot staționat timp de câteva secunde în timp ce giroscopul se inițializează. După o scurtă întârziere, ar trebui să puteți vedea semnalul Headbot wifi (SERT_URSA_00) pe dispozitivul pe care îl veți utiliza pentru a controla botul - selectați-l și introduceți parola „Headbot”. După efectuarea unei conexiuni, rulați aplicația stației de unitate pe telefon / tabletă sau rulați scriptul stației de unitate în Procesare de pe computer. După ce programul pornește și se face o conexiune, ar trebui să vedeți că valoarea „pitch” începe să răspundă, arătând înclinarea Headbot.

Setarea valorilor PID: pentru a putea controla Headbot, va trebui să reglați valorile PID. Pentru versiunea de Headbot descrisă aici. Dacă faceți clic în pătratul din stânga sus al stației de unitate, veți afișa glisante pentru ajustarea valorilor. Primele trei glisoare sunt pentru ajustarea P, I și D pentru unghi (PA, IA și DA) - aceste valori sunt de primă importanță pentru a permite Headbot să își mențină echilibrul. Cele trei glisoare de jos sunt pentru reglarea P, I și D pentru viteză (PS, IS și DS) - aceste valori sunt importante pentru a permite Headbot să-și regleze corect viteza de rulare în funcție de intrarea joystick-ului. Valorile inițiale bune cu această versiune de Headbot sunt PA = 0,08, IA = 0,00, DA = 0,035, PS = 0,02, IS = 0,00 și DS = 0,006. După setarea acestor valori, faceți clic pe caseta „Salvare setare” din partea stângă sus a stației de unitate (aceasta salvează setările într-o formă mai durabilă, care va supraviețui unei reporniri a botului).

Încercați lucrurile: faceți clic pe bara Joystick verde din partea dreaptă sus a stației de unitate pentru a afișa un joystick pentru controlul robotului. Ridicați Headbot în sus într-o orientare aproape echilibrată și apăsați pe pătratul activat verde închis din dreapta sus (apăsând caseta roșie vecină va dezactiva botul). Dacă totul merge bine, veți avea un Headbot auto-echilibrat, dar mai mult ca sigur va trebui să reglați fin valorile PID. Există, de obicei, puțin I sau D în comparație cu P, așa că începeți de aici. Prea puțin și nu va răspunde. Prea mult și va oscila înainte și înapoi. Începeți Începeți cu valorile PID Angle, făcând mici modificări pentru a vedea cum sunt afectate lucrurile. Unii termeni D pentru bucla unghiulară pot ajuta la minimizarea oscilațiilor, dar o cantitate mică poate aduce rapid o mulțime de jitter, așa că utilizați cu ușurință. Dacă valorile unghiului sunt corecte, Headbot ar trebui să reziste unor împingeri ușoare fără să cadă. Trebuie așteptate mici mișcări în timp ce Headbot este echilibrat, deoarece motoarele pas cu pas se deplasează în jumătăți de trepte de 0,9 grade cu fiecare reglare.

Odată ce echilibrul este atins, încercați să conduceți făcând mici mișcări ale joystick-ului, făcând mici ajustări ale valorilor Speed PID, astfel încât robotul să răspundă într-un mod lin, grațios. Creșterea termenului I poate fi utilă pentru a contracara robotul care nu rămâne la viteza setată. Fiți avertizat, totuși - modificările valorilor Speed PID vor necesita ajustări suplimentare la valorile PID Angle (și invers), deoarece buclele PID interacționează.

Modificările aduse greutății globale și distribuției greutății Headbot (cum ar fi atunci când purtați ochelari, măști, peruci sau pălării) va necesita modificări suplimentare ale valorilor PID. Mai mult, dacă costumele aruncă prea mult soldul, poate fi necesar să modificați valoarea pitchOffset de pornire din codul ursa.ino și să reîncărcați codul pe ESP32.

Locul doi în concursul de robotică