Bouw een LEGO Wall-E Robot met Arduino Nano: Stap-voor-stap Gids

Onderdelen en benodigdheden

LEGO Wall-E – 1 stuk (tweedehands, niet meer in productie)
Arduino Nano R3 – 1 stuk
DC-motor (generiek) – 2 stuks
L298N Dual Motor Controller – 1 stuk
Bi-kleur LED – 1 stuk (3 pinnen)
Infrarood sensor – 1 stuk
Buzzer – 1 stuk (verschillende tonen mogelijk)
9V batterij – 1 stuk
Weerstand 330 ohm – 3 stuks
Jumper wires (generiek) – 20 stuks

Benodigde tools en machines

Solderbout (generiek)

Apps en online diensten

Arduino IDE

Over dit project

Iedereen kent de film Wall-E (en als niet: ga nu kijken!) en de gele held die probeert de aarde op te schonen. In dit project gebruikte ik een LEGO-versie van ons kleine vriend en leerde hem obstakels te vermijden. Dit was mijn eerste project en een geweldige leerervaring voor de basis van elektronica.

Stap 1 - De Code

Als softwareontwikkler dacht ik na over wat ik wilde dat hij deed en begon met de code.

// Dit programma controleert de Wall-E LEGO robot.
// Wall-E rijdt rond. Als hij een obstakel ziet, stopt hij, kijkt om zich heen en kiest een ander pad.
// Arduino Nano heeft 21 pinnen voor digitalRead/digitalWrite
// PWM pinnen 3, 5, 6, 9, 10, 11 voor analogWrite
// Pinnen 0, 1 voor TTL; 2, 3 voor externe interrupts
// Pinnen 10, 11, 12, 13 voor SPI; pin 13 interne LED
// Pinnen 14-21 zijn analoge pinnen A0-A7 voor analogRead

#define INFRA_RED 9
#define GREEN_LED 7 // met weerstand ~220 Ohm
#define RED_LED 8   // met weerstand ~220 Ohm
#define BUZZER 10   // PWM pin voor frequentie, weerstand ~1k Ohm

// MR = rechter motor, ML = linker motor
#define MR_1 A1
#define MR_2 A2
#define MR_ENABLE 5 // PWM voor snelheid
#define ML_1 A3
#define ML_2 A4
#define ML_ENABLE 6 // PWM voor snelheid

const int NORMAL_SPEED = 255;

void setup() {
  delay(2000); // Wacht na reset om spanningspieken te voorkomen bij loskoppelen batterij
  pinMode(GREEN_LED, OUTPUT);
  pinMode(RED_LED, OUTPUT);
  // pinMode(BUZZER, OUTPUT); // niet noodzakelijk
  digitalWrite(RED_LED, LOW);
  digitalWrite(GREEN_LED, HIGH);
  
  pinMode(MR_ENABLE, OUTPUT);
  pinMode(MR_1, OUTPUT);
  pinMode(MR_2, OUTPUT);
  pinMode(ML_ENABLE, OUTPUT);
  pinMode(ML_1, OUTPUT);
  pinMode(ML_2, OUTPUT);
  
  pinMode(INFRA_RED, INPUT);
  randomSeed(analogRead(0));
  playHello();
}

void loop() {
  driveForwards(NORMAL_SPEED);
  digitalWrite(RED_LED, LOW);
  digitalWrite(GREEN_LED, HIGH);
  
  if (digitalRead(INFRA_RED) == LOW) { // LOW = obstakel gedetecteerd
    digitalWrite(GREEN_LED, LOW);
    digitalWrite(RED_LED, HIGH);
    stopDriving();
    playUhOh();
    
    // Check links
    turnLeft(500);
    boolean obstacleLeft = false;
    if (digitalRead(INFRA_RED) == LOW) obstacleLeft = true;
    
    // Terug naar centrum
    delay(100);
    turnRight(500);
    delay(500);
    
    // Check rechts
    turnRight(500);
    boolean obstacleRight = false;
    if (digitalRead(INFRA_RED) == LOW) obstacleRight = true;
    
    // Terug naar centrum
    delay(100);
    turnLeft(500);
    
    // Beslis hoe te ontsnappen
    if (obstacleLeft && obstacleRight) {
      driveBackwards(NORMAL_SPEED / 3);
      for (int i = 0; i < 5; i++) {
        tone(BUZZER, 1000, 500);
        delay(1000);
      }
      randomTurn(800, 1600);
    } else if (obstacleLeft) {
      turnRight(1000);
    } else if (obstacleRight) {
      turnLeft(1000);
    } else {
      randomTurn(1000, 1800);
    }
  }
  
  // Willekeurige gedragingen voor meer interactie
  int number = random(100);
  if (number == 0) {
    randomTurn(200, 2000);
  }
}

// Motor control functies...
void driveForwards(int speed) {
  digitalWrite(MR_1, LOW); digitalWrite(MR_2, HIGH);
  digitalWrite(ML_1, HIGH); digitalWrite(ML_2, LOW);
  setSpeed(speed);
}

void driveBackwards(int speed) {
  digitalWrite(MR_1, HIGH); digitalWrite(MR_2, LOW);
  digitalWrite(ML_1, LOW); digitalWrite(ML_2, HIGH);
  setSpeed(speed);
}

void turnLeft(int duration) {
  digitalWrite(MR_1, HIGH); digitalWrite(MR_2, LOW);
  digitalWrite(ML_1, HIGH); digitalWrite(ML_2, LOW);
  setSpeed(NORMAL_SPEED / 2);
  delay(duration);
  stopDriving();
}

void turnRight(int duration) {
  digitalWrite(MR_1, LOW); digitalWrite(MR_2, HIGH);
  digitalWrite(ML_1, LOW); digitalWrite(ML_2, HIGH);
  setSpeed(NORMAL_SPEED / 2);
  delay(duration);
  stopDriving();
}

void stopDriving() {
  digitalWrite(MR_1, LOW); digitalWrite(MR_2, LOW);
  digitalWrite(ML_1, LOW); digitalWrite(ML_2, LOW);
  digitalWrite(MR_ENABLE, LOW); digitalWrite(ML_ENABLE, LOW);
}

void setSpeed(int speed) {
  speed = constrain(speed, 0, 255);
  analogWrite(MR_ENABLE, speed);
  analogWrite(ML_ENABLE, speed);
}

void randomTurn(int minimum, int maximum) {
  unsigned long time = millis();
  int duration = random(minimum, maximum);
  if (time % 2) turnRight(duration);
  else turnLeft(duration);
}

void playHello() {
  tone(BUZZER, 262, 250); delay(300); // C4
  tone(BUZZER, 330, 250); delay(300); // E4
  tone(BUZZER, 392, 250); delay(300); // G4
  tone(BUZZER, 523, 500); delay(550); // C5
}

void playUhOh() {
  tone(BUZZER, 523, 250); delay(300); // C5
  tone(BUZZER, 415, 500); delay(600); // Gis4
}

Wanneer je een draaiende motor loskoppelt, kunnen spanningspieken optreden die je electronica beschadigen. Daarom laat ik Wall-E 2 seconden wachten na reset. Ik kan de resetknop indrukken en snel de batterij loskoppelen zonder schade.

Hij speelt een melodie bij opstarten en begint te rijden. Bij een obstakel stopt hij, speelt "Uh-oh", en kijkt om zich heen. De infraroodsensor heeft een schroefje achterin voor de detectieafstand. Daarom geen afstandsberekeningen in de code. (Ik wilde eerst een ultrasone sensor, maar die paste niet in zijn ogen.)

Wall-E checkt eerst links, dan rechts. Als beide geblokkeerd: achteruit met piepgeluid als bouwmachines, dan willekeurige draai en verder. Alleen één kant geblokkeerd? Ga de andere kant op. Beide vrij? Willekeurig kiezen.

Willekeurige draaien is nog niet af. Ik probeer de ingebouwde Arduino-timer. Ideëen? Laat het in de comments weten!

Stap 2 - Hem opknopen

Eerst de infraroodsensor in het oog verwerken zodat het niet opvalt. Ik haalde hem uit elkaar, lijmde een LEGO-pin aan de sensor (zijn oog kan omhoog/omlaag) en gebruikte blue-tack om de LEGO-stukken terug te zetten: