Rpibot – Over het leren van robotica

Dit is een eenvoudig en goedkoop mobiel robotplatform dat is ontworpen om te leren en uit te breiden. Ik legde mijn concept uit en ook mijn problemen die ik heb opgelost.

Ik ben embedded software engineer bij een Duits autobedrijf. Ik ben dit project begonnen als een leerplatform voor embedded systemen. Het project werd vroegtijdig geannuleerd, maar ik vond het zo leuk dat ik in mijn vrije tijd doorging. Dit is het resultaat...

Ik had de volgende vereisten:

• Eenvoudige hardware (focus is de software)
• Goedkope hardware (ongeveer € 100)
• Uitbreidbaar (sommige opties maken al deel uit van de beschrijving)
• Voedingsspanning voor alle componenten van een enkele 5V-bron (powerbank)

Er was niet echt een doel behalve leren. Het platform kan worden gebruikt voor leren, toezicht, robotwedstrijden, …

Het is geen tutorial voor beginners. Je hebt wat basiskennis nodig over:

• Programmeren (Python)
• Basiselektronica (om modules met de juiste spanning aan elkaar te koppelen)
• Basisregeltheorie (PID)

Eindelijk zul je waarschijnlijk met problemen worden geconfronteerd zoals ik deed. Met enige nieuwsgierigheid en uithoudingsvermogen ga je door het project en los je de uitdagingen op. Mijn code is zo eenvoudig mogelijk en de kritische coderegels zijn becommentarieerd om hints te geven.

De volledige broncode en bestanden zijn hier beschikbaar: https://github.com/makerobotics/RPIbot

Benodigdheden:

Mechanica

• 1x Multiplexplaat (A4-formaat, 4 mm dik)
• 3x M4 x 80 Schroef en moer
• 2x Tandwielmotoren met secundaire uitgaande as voor encoder. Wielen.
• 1x vrijloop
• 1x Pan en Tilt camera montage (optioneel)

Elektronica

• 1x Raspberry Pi Zero met header en camera
• 1x PCA 9685 servobesturing
• 2x optisch encoderwiel en circuit
• 1x vrouwelijke jumperdraden
• 1x USB-powerbank
• 1x DRV8833 dubbele motor driver
• 2x Micro servo's SG90 voor camera pan en tilt (optioneel)
• 1x MPU9250 IMU (optioneel)
• 1x HC-SR04 ultrasone afstandssensor (optioneel)
• 1x geperforeerd bord en soldeerdraad, headers, …

Stap 1:Bouw het chassis

Ik ben geen goede mechanische ontwerper. Het doel van het project is ook om niet te veel tijd in het chassis door te brengen. Hoe dan ook, ik heb de volgende vereisten gedefinieerd:

• Goedkope materialen
• Snelle montage en demontage
• Uitbreidbaar (bijv. ruimte voor toegevoegde sensoren)
• Lichte materialen om energie te besparen voor de elektronica

Een eenvoudig en goedkoop chassis kan gemaakt worden van multiplex. Het is gemakkelijk te bewerken met een figuurzaag en een handboor. Je kunt kleine houten onderdelen lijmen om de houder voor sensoren en motoren te maken.

Denk hierbij aan het vervangen van defecte onderdelen of het elektrisch debuggen. De belangrijkste onderdelen moeten worden vastgezet met schroeven om vervangbaar te zijn. Een heetlijmpistool is misschien eenvoudig, maar waarschijnlijk niet de beste manier om een ​​chassis te bouwen... Ik had veel tijd nodig om na te denken over een eenvoudig concept om de onderdelen gemakkelijk te demonteren. 3D-printen is een goed alternatief, maar kan behoorlijk duur of tijdrovend zijn.

Het vrijloopwiel is tenslotte zeer licht en eenvoudig te monteren. De alternatieven waren allemaal zwaar of vol wrijving (ik heb er een paar geprobeerd voordat ik de laatste vond). Ik hoefde alleen een houten afstandsstuk te zagen om het staartvrij wiel waterpas te zetten na het monteren van de hoofdwielen.

Wieleigenschappen (voor softwareberekeningen)

Omtrek:21,5 cm
Pulsen:20 pulsen/omw.
Resolutie:1.075 cm (eindelijk is 1 puls ongeveer 1 cm, wat gemakkelijk is voor softwareberekeningen)

Stap 2:Elektronica en bedrading

Het project gebruikt verschillende modules zoals weergegeven in het diagram.

De Raspberry Pi Zero is de hoofdcontroller. Het leest de sensoren en stuurt de motoren aan via een PWM-signaal. Het is via wifi verbonden met een pc op afstand.

De DRV8833 is een dubbele motor H-brug. Het levert voldoende stroom aan de motoren (wat de Raspberry Pi niet kan doen omdat de uitgangen maar wat mA kunnen leveren).

De optische encoder geven elke keer dat het licht door de encoderwielen gaat een vierkant signaal. We zullen de HW-interrupts van de Raspberry Pi gebruiken om de informatie te krijgen telkens wanneer het signaal wordt omgeschakeld.

De pca9695 is een servobesturingskaart. Het communiceert via een I2C seriële bus. Dit bord levert de PWM-signalen en voedingsspanning die de servo's aansturen voor het pannen en kantelen van de nok.

De MPU9265 is een 3-assige versnelling, 3-assige hoekrotatiesnelheid en 3-assige magnetische fluxsensor. We zullen het voornamelijk gebruiken om de kompasrichting te bepalen.

De verschillende modules zijn allemaal met elkaar verbonden door middel van een jumperdraad. Een broodplank treedt op als dispatcher en zorgt voor voedingsspanningen (5V en 3,3V) en massa. De aansluitingen staan ​​allemaal beschreven in de aansluittabel (zie bijlage). Als u 5V aansluit op een ingang van 3,3 V, gaat uw chip waarschijnlijk kapot. Wees voorzichtig en controleer al uw bedrading twee keer voordat u ze levert (hier moet vooral rekening worden gehouden met de encoder). U dient de netvoedingsspanningen op de verdelerkaart te meten met een multimeter voordat u alle kaarten aansluit. De modules werden met nylon schroeven in het chassis bevestigd. Ook hier was ik blij dat ze gerepareerd maar ook verwijderbaar waren in geval van storing.

Het enige soldeerwerk waren uiteindelijk de motoren en het breadboard en de headers. Om eerlijk te zijn, ik hou van de jumperdraden, maar ze kunnen leiden tot een losse verbinding. In sommige situaties kunnen sommige softwarecontroles u ondersteunen bij het analyseren van de verbindingen.

Bron:Rpibot – Over het leren van robotica