Rpibot: Een Laag-kost, Uitbreidbare Mobiele Robot voor Embedded Systems Leren

Dit eenvoudige, laag-kost mobiele robotplatform is gemaakt om ontwikkelaars een praktische, hands-on manier te bieden om embedded systems te leren.

Als embedded software engineer bij een Duits automobielbedrijf, startte ik dit project als leerplatform. Hoewel het originele project vroegtijdig gecanceld werd, droeg mijn enthousiasme het voort als hobby, wat resulteerde in de Rpibot.

Ik had een duidelijke set eisen:

• Minimale, software-gerichte hardware
• Alles-in-één €100-budget
• Ingebouwde uitbreidbaarheid voor toekomstige modules
• Enkele 5V-voedingsbron (bijv. USB powerbank) voor alle componenten

Het platform dient meerdere doeleinden – educatie, surveillance, en robotica-wedstrijden – maar het is geen beginnertutorial. Basiskennis van Python-programmering, elektronica en PID-regeling wordt verwacht.

Uitdagingen waren onvermijdelijk, maar een nieuwsgierige en volhardende mindset helpt ze te overwinnen. De broncode is bewust beknopt, met kritieke secties gecommentarieerd voor begeleiding.

Volledige broncode en hardware-schema's zijn beschikbaar op GitHub: https://github.com/makerobotics/RPIbot

Benodigdheden:

Mechanica

• 1 × A4 multiplexplaat, 4mm dik
• 3 × M4 × 80 schroeven en moeren
• 2 × tandwielmotoren met secundaire uitvoeras voor encoders (wielen)
• 1 × vrijwiel
• 1 × pan-and-tilt camerabeugel (optioneel)

Elektronica

• 1 × Raspberry Pi Zero (met header en camera)
• 1 × PCA 9685 servocontroller
• 2 × optische encoderwielen en circuits
• 1 × female draadbruggen
• 1 × USB powerbank
• 1 × DRV8833 dubbele motordriver
• 2 × SG90 micro-servo's voor camera pan/tilt (optioneel)
• 1 × MPU9250 IMU (optioneel)
• 1 × HC-SR04 ultrasone sensor (optioneel)
• 1 × geperforeerd bord, soldeerdraad, headers, etc.

Stap 1: Bouw het Chassis

Het chassis is bewust simpel, lichtgewicht en snel te monteren en demonteren.

• Betaalbare materialen
• Snelle montage
• Ruimte voor toekomstige sensor-toevoegingen
• Lichtgewicht om stroomverbruik te verminderen

Multiplex is ideaal – makkelijk te zagen met een decoupeerzaag en te boren. Klein houten stukjes lijmen om montagepunten voor sensoren en motoren te creëren. Kritische delen moeten met schroeven bevestigd worden zodat ze vervangen of gedebugd kunnen worden zonder het hele frame te demonteren. Hoewel een lijmpistool handig is, houdt het misschien niet stand bij langdurig gebruik. 3D-printen is een alternatief maar kan duur en tijdrovend zijn.

Het vrijwiel is lichtgewicht en wrijvingsvrij, wat soepelere beweging mogelijk maakt. Een simpele houten spacer niveleert het achterwiel na het monteren van de hoofdwielen.

Wieleigenschappen (voor softwareberekeningen)

Omtrek: 21,5 cm
Encoder-pulsen: 20 pulsen/omw.
Resolutie: ≈1 cm per puls (vereenvoudigt afstandsberekeningen)

Stap 2: Elektronica en Bedrading

De volgende modules zijn miteinander verbonden zoals getoond in het diagram.

Raspberry Pi Zero – de centrale controller. Het leest sensoren en drijft motoren via PWM. Het verbindt met een remote PC via Wi-Fi.

DRV8833 – een dubbele H-brug motordriver die voldoende stroom levert aan de motoren (de GPIO-pinnen van de Pi kunnen dat niet).

Optische encoders – leveren een blokgolf elke keer dat het wiel's lichtpad wordt onderbroken. Hardware-interrupts op de Pi vangen elke overgang.

PCA 9685 – een I²C servocontroller die PWM-signalen en 5V-voeding levert voor pan-tilt servo's.

MPU9250 – een 3-as accelerometer, gyroscoop en magnetometer, primair gebruikt voor koersinformatie.

Alle componenten zijn bedraad met draadbruggen. Een breadboard fungeert als distributiehub, met 5V, 3,3V en ground-rails. De verbindingstabel (zie bijlage) detailleert elke link. Verbind nooit 5V direct met een 3,3V-pin; controleer bedrading dubbel voordat je spanning aanlegt. Meet de hoofstvoedingspanningen met een multimeter na het opzetten van het breadboard.

Modules worden bevestigd aan het chassis met nylon-schroeven, wat ze zowel stabiel als demontabel maakt voor onderhoud.

Solderen was beperkt tot de motorterminals, breadboard en header-pinnen. Draadbruggen zijn handig maar kunnen losraken; software-diagnostiek kan helpen intermittentie verbindingen identificeren.

Bron: Rpibot – Over Het Leren van Robotica