Как сделать простейшего робота на ардуино

Робот, ездящий по линии под управлением Arduino

В данной статье будет описан процесс создания робота, ездящего по линии. Эта задача является классической, идейно простая, она может решаться много раз, и каждый раз вы будете открывать для себя что-то новое. Решение этой задачи и реализация полученного решения позволяют приобрести необходимые начальные навыки для дальнейшего совершенствования в робототехнике.

Существует множество подходов для решения задачи следования по линии. Выбор одного из них зависит от конкретной конструкции робота, от количества сенсоров, их расположения относительно колёс и друг друга.

В нашем примере будет собран робот на лёгкой платформе с двумя колёсами и двумя датчиками линии, расположенными на днище робота перед колёсами.

В результате выглядеть он будет так:

Что понадобится

Для нашего примера понадобятся следующие детали:

Вообще говоря, лучше было бы использовать NiMH-аккумуляторы: они лучше отдают ток и значительно дольше держат напряжение, но для целей этого проекта одной батарейки на 9 В вполне хватило.

Собираем робота

Сначала соберём робота, установим всю механику и электронику.

Собираем платформу

Для начала прикрепим колёса к моторам.

Затем с помощью пластиковых П-образных креплений прикручиваем моторчики к платформе. Обратите внимание на взаимное расположение крепления и моторчики: в креплении есть небольшие углубления, так что если всё соединить правильно, то моторчики будут крепко держаться и никуда не выскочат.

Теперь крепим балансировочный шар.

Отлично! Платформа собрана. Если вам кажется, что колёсам отведено слишком мало места и они трутся о платформу, то скорее всего вам нужно посильнее надавить на колёса, чтобы они плотнее сели на вал мотора.

Крепим сенсоры

Закрепим их, как показано на фото:

Можно было бы выбрать и другое место. Это могло бы сделать контроль проще или сложнее, а самого робота более или менее эффективным. Оптимальное расположение — вопрос серии экспериментов. Для этого проекта просто был выбран такой способ крепления.

Крепим Arduino

Arduino закрепим с противоположной стороны двумя винтиками и гайками.

Опять же, можно выбрать и другое место. Например над колёсами, если приподнять Arduino на латунных стойках. Это изменило бы положение центра масс и повлияло бы на эффективность робота в лучшую или худшую сторону.

Крепим Motor Shield и соединительные провода

Установим Motor Shield на Arduino и подсоединим соединительные провода. Обратите внимание, чтобы соотвествовать программному коду из примера ниже, моторчики соединены с Motor Shield так: правый — к клеммам M1 с прямой полярностью (плюс к плюсу), а левый — к M2 с обратной (плюс к минусу).

В этом проекте, для экономии времени концы соединительных проводов просто скручены с контактами моторов. При работе «начисто» стоит жёстко припаять провода к моторам.

Крепим Troyka Shield

Присоединяем сверху Troyka Shield и подключаем датчики к 8 и 9 цифровым контактам. В итоге получаем следующую конструкцию:

Программирование

Теперь напишем программу, которая заставит собранную конструкцию двигаться по нарисованной линии. В проекте мы будем использовать чёрную линию, напечатанную на белых листах бумаги.

Основная идея алгоритма

Пусть у нас усть белое поле, и на нём чёрным нарисован трек для нашего робота. Используемые датчики линии выдают логический ноль, когда «видят» чёрное и единицу, когда «видят» белое.

На прямой робот должен пропускать трек между сенсоров, то есть оба сенсора должны показывать единички.

При повороте траектории направо, правый сенсор наезжает на трек и начинает показывать логический ноль. При повороте налево, ноль показывает левый сенсор.

Таким образом получаем простую систему с тремя состояниями:

На вход системы поступает информация с сенсоров. Получаем следующую логику переходов:

Левый Правый Целевое состояние
0 0 STATE_FORWARD
0 1 STATE_RIGHT
1 0 STATE_LEFT
1 1 STATE_FORWARD

Реализация на Arduino

Проблема инертности и её решение

Однако если выставить скорость моторов побольше, мы столкнёмся со следующей проблемой: наш робот будет вылетать с трека, не успевая отреагировать на поворот. Это связано с тем, что наши моторчики не умеют тормозить мгновенно.

В этом легко убедиться поставив следующий эксперимент: с заданной скоростью робот будет двигаться по поверхности, и в некоторый момент будет установлена нулевая скорость и измерен тормозной путь робота. Пусть робот разгоняется по монотонной поверхности и тормозится при фиксировании импровизированной стоп-линии.

Эксперимент проведём для разных скоростей. Код программы для эксперимента таков:

На той поверхности, на которой проводился эксперимент, были получены следующие результаты:

Таким образом, начиная с некоторого момента у нашего робота нет никакой возможности успеть среагировать и остаться на треке.

Что можно сделать?! После того, как сенсоры улавливают поворот, можно остановиться и вернуться назад на некоторое расстояние, зависящее от скорости перед остановкой. Однако мы можем отдать команду роботу ехать с какой-то скоростью, но не можем приказать ему проехать какое-то расстояние.

Для того, чтобы понять зависимость расстояния при заднем ходе от времени, был проведён ещё один замер:

На скорости 50, например, робот проделывал путь, зависящий от времени следующим образом:

Полученные две зависимости были линейно аппроксимированы, затем была выведена формула зависимости времени, которое надо двигаться назад, от скорости перед остановкой.

Обратим внимание на то, что у вас значения могут оказаться другими: из-за особенностей сборки либо из-за поверхности, поэтому в общем случае лучше провести все измерения самостоятельно.

Адаптивное поведение

Перед финальным экспериментом произведём ещё несколько поправок.

Во-первых, нам необязательно давать команду ехать назад перед каждым поворотом, как мы помним, на маленькой скорости робот прекрасно справляется и без этого. К тому же лучше ему двигаться не прямо назад, а немного поворачивая, всё-таки робот находится перед поворотом.

Во-вторых, нам стоит различать состояния робота: когда он движется по прямой, и ничто ему не мешает ускоряться; и когда робот входит в поворот. В первом случае действительно будем увеличивать скорость робота для более динамичного прохождения трека, во втором случае будем сбрасывать скорость до значения, достаточного для успешного прохождения поворота, и будем держать эту скорость ещё какое-то время.

В итоге наш код будет выглядит следующим образом:

Результат

Что дальше?

Представленный алгоритм оставляет множество возможностей для улучшения и оптимизации. Скорость поворота можно так же менять адаптивно. Можно добавить контроль заноса. Можно поиграть с расположением сенсоров и центром масс. В конце концов можно получить непобедимого на треке робота.

Нет ничего лучше, чем обставить оппонента на секунду-другую.

Источник

РОБОТ на базе: android, arduino, bluetooth. Начало

Создание робота, даже простенького с ограниченным функционалом, довольно интересная и увлекательная задача. В последнее время любительская робототехника переживает настоящий бум, ей начали увлекаться даже те люди, которые от электроники очень далеки (к ним отношусь и я). Прошло то время, когда нужно было сидеть ночами с паяльником, или травить платы. Все стало гораздо проще, нужно лишь купить Arduino, комплект проводков, сенсоры, датчики, моторчики и вперед к сборке своего первого робота. Таким образом, фокус разработчиков — любителей сместился с электроники и механической части к программированию.
Данная серия статей будет содержать информацию для быстрого старта по созданию своего первого робота, от покупки необходимых деталей до его запуска в наш мир.

Отмечу, что статьи я пишу по ходу самостоятельного изучения материала и создания своего первого робота.

Предполагается, что человек читающий статью уже имеет опыт в:

  • Установке и настройке среды разработки для android устройств.
  • Написании первой программы Hello World для android устройства.
  • Установке драйверов и среды разработки для Arduino.
  • Написании первой программы (включать, выключать) светодиоды на Arduino.
Сокращения

БТ – Bluetooth;
Андроид – устройство с ОС android, к примеру, смартфон;
Скетч – приложение для Arduino;
Ардуино – Arduino Nano.

Общая схема робота

Пусть робот имеет следующую общую схему (рис.1). Андроид, является «головным мозгом», в котором обрабатываются все данные и проводятся вычисления. На основании результатов вычислении по БТ каналу передаются команды, принимаемые БТ модулем и в дальнейшем поступающие по последовательному порту в Arduino. Arduino обрабатывает поступившие команды и выполняет их при помощи «мышц» (Моторы светодиоды и др.). Кроме того в Arduino поступают данные от «органов чувств» (сенсоры, датчики и др.), которые он приводит в удобный вид и отправляет при помощи БТ модуля в «головной мозг». И так все повторяет до бесконечности.

Рисунок 1
Обоснование именно такой схемы робота следующее:
-БТ модуль и Arduino Nano имеют низкую стоимость, а также маленький объем и вес.
-Андроид, не дорогое и доступное устройство, уже имеется у огромного количества людей, в том числе и у меня.
-Андроид имеет свои сенсоры, датчики и экран для вывода информации
-Простота написания кода для приложений как для андроида так и для ардуино.
Для упрощения задачи построения робота, предлагаю воспользоваться методом «от простого к сложному», т.е. как и при изучении языка программирования создадим первую программу «Hello word». Конечно, это будет не одна программа, а как минимум две (для ардуино и андроида). В каждой последующей статье функционал робота будет увеличиваться.

Постановка задачи

Собрать простенькое устройство, у которого имеются:
-2 кнопки (b1, b2).
-1 светодиод (Led).
И выполняется функционал:
-главное activity содержит 2 кнопки «Отпарвить 0» и «Отправить 1», при нажатии на которые от андроида к ардуино по БТ каналу передаются данные, соответствнно «0» и «1», ардуино их обработвает и зажигает либо тушит светодиод.
-данные о нажатии или отпускании кнопок от ардуино передаются в андроид, на экране главного activity выводится информация об этом.

Закуп необходимых деталей и узлов.

1) Android устройство – смартфон LG P500 (версия Android 2.3.3), либо любое другое устройство на базе Android версией 2.3.3 и выше. Цену не указываю, так как отдельно не покупал, а использую свой смартфон.
2) Arduino NanoV3.0 ( dx.com/ru/p/nano-v3-0-avr-atmega328-p-20au-module-board-usb-cable-for-arduino-118037 ) — 11,32$
3) Модуль Bluetooth ( dx.com/ru/p/bluetooth-board-module-4-pin-121326 ) — 10,57$
4) Макетные провода ( dx.com/ru/p/30cm-breadboard-wires-for-electronic-diy-40-cable-pack-80207 ) — 2,51$
5) Кнопки — 2шт., светодиод – 1 шт. – 50 рублей
Итого: 855,20 рублей.

Приступим к работе

Arduino

Соберем из имеющихся деталей схему (рис. 2)

Рисунок 2
Питание на arduino подается по USB кабелю, который подключается к компьютеру, по нему же загружается и программное обеспечение (скетч) выполняемое на нем. Необходимо отметить, что загружать скетч в arduino можно только тогда, когда отключено питание от Bluetooth модуля (Вывод (17) 3V3), в противном случае возникает ошибка.
Подробности установки среды разработки Arduino и драйверов можно найти на официальном сайте: arduino.ru/Guide/Windows
Ниже приведен скетч который необходимо загрузить в ардуино:

Объявляем переменные, напротив каждой стоит комментарий.
Инициируем последовательное соединение и задаем скорость передачи данных в бит/c (бод). Мой БТ модуль работает на скорости 38400, но может быть скорость 9600 (скорость БТ модуля можно задавать при помощи AT команд). Устанавливаем режим работы заданного входа/выхода(pin) как входа или как выхода. Подаем HIGH значение на входы и выходы.
Функция void contact_bounce(int buttton) обрабатывает нажатие кнопок и позволяет устранить дребезг контактов, который возникает при соприкосновении или расхождении контактов в механических переключающих устройствах, таких, как кнопка, происходит многократное замыкание и размыкание.
В основном цикле Loop слушаем последовательный порт, и если на него пришли данные мы их обрабатываем. Кроме того вызываем функцию обработки нажатия кнопок и устранения дребезга контактов.
Загрузив скетч в ардуино, можем проверить его работоспособность – запустив монитор порта. При нажатии кнопок в окне монитора будет выводиться надпись «Press button b». Проверить работу светодиода удастся только после написания приложения для андроида.
В данной статье для ардуино будет использоваться только этот скетч.Приступим к разработки приложения для андроида.

Android

Для удобства отладки приложения андроида, рекомендую использовать не «Android virtual device», а реальный смартфон с ОС Android версии от 2.3.3 подключенный через USB кабель к компьютеру в режиме «Отладки». Существует огромное количество статей как это сделать.

Android ШАГ 1

Создаем новый проект «Android application project»
Для работы с БТ необходимо выставить права на использование его нашим приложением. Для этого заходим в манифест, выбираем закладку Permissions, нажимаем add, далее Uses permission, и устанавливаем следующие права: android.permission.BLUETOOTH, android.permission.BLUETOOTH_ADMIN
Теперь оформим основное activity, в res/layout/activity_main.xml поместим код:

Таким образом, основное activity примет вид:

Рисунок 3
Текстовое поле «txtrobot», будет отображать всю необходимую нам информацию. Кнопки b1 и b2, будут отправлять команды в arduino.
Теперь переходим в src/../MainActivity.java здесь и будет располагаться наш основной код. Подключим пакет Api для Bluetooth:

Перед тем как использовать БТ необходимо убедится, что в нашем андроиде он присутствует. Создадим экземпляр класса BluetoothAdapter (отвечающий за работу с установленным в андроиде БТ модулем):

Если андроид не имеет БТ то будет возвращено null:

В данном виде программу уже можно запустить. На экране андроида вы должны увидеть надпись: «Bluetooth присутствует».
Теперь необходимо убедиться, что БТ включен, либо предложить его включить. Добавим константу:

Запустив измененное приложение на андроиде, Вам будет выдан «Запрос разрешения на включения Bluetooth», подтвердив его, тем самым Вы активируете БТ.
Полный код приложения:

Android ШАГ 2

Для дальнейших экспериментов, необходимо «спарить» наш андроид и БТ модуль, для этого на андроиде в настройках БТ, выполним поиск и подключимся к БТ модулю, пароль «1234».
Если вдруг удаленный БТ модуль не будет нормально работать, просто отключите от него все провода (VCC, GND,RX,TX), тем самым сделав жесткую перезагрузку, и снова подключите их — это должно помочь.
Теперь попробуем программно подключится к удаленному БТ модулю: основной код подключения разместим в onResume. onResume – это одно из состояний нашего Activity, а именно, Activity видно на экране, оно находится в фокусе, пользователь может с ним взаимодействовать. Ниже приведен основной код Activity:

Доступ к удаленному БТ модулю получаем по его МАС адресу btAdapter.getRemoteDevice(MacAdress). Узнать MAC-адрес БТ модуля можно, при помощи программы для андроида: Bluetooth Terminal.
Что бы убедится, что доступ к БТ модулю получен, используем метод getName(), который позволяет получить имя удаленного БТ модуля, и выводим результат на экран андроида.
Также в этом примере, была добавлена возможность ведения лога, который по ходу выполнения программы можно просматривать, и обнаруживать существующие ошибки. Кроме того создана функция MyError, которая вызывается в том случае если нужно аварийно завершить приложение.
Запустив приложение, на экране андроида в текстовом поле «txtrobot» отобразится имя удаленного БТ модуля.

Android ШАГ 3

Доступ к удаленному БТ модулю получен, следующий наш шаг передать данные от андроида к нему. Для этого в onResume(), создадим сокет:

где UUID (Universally Unique Identifier) — это стандарт идентификации, используемый в создании программного обеспечения. Добавим в определение константу UUID:

Чтобы не тормозить соединение отменим поиск других БТ устройств:

При не удаче закроем сокет:

Так как методы отправки и получения данных являются блокирующими, их следует выполнять в отдельном потоке, что бы предотвратить зависание основного приложения. Для этого создадим класс:

В конструкторе public ConnectedThred(BluetoothSocket socket) создается объект управляющий передачей данных через сокет:

Для отправки данных из главного activity вызывается метод sendData(String message) с параметром текстового сообщения, которое преобразуется к типу byte. Метод cancel() позволяет закрыть сокет.
Напишем, обработчики нажатия кнопок b1 и b2, содержащие вызов функции sendData(String message) и сделаем запись об этом в логе. Полный код приложения приведен ниже:

Написанное нами приложение, позволяет передавать по БТ от андроида к ардуино данные – «0» и «1», которые в свою очередь для ардуино являются командами «1» — зажечь светодиод, а «0» — потушить. Таким образом, с учетом общей схемы робота, мы научились отдавать команды от «головного мозга» к «мышцам». Осталось дело за малым, научить андроид принимать данные от «органов чувств».

Android ШАГ 4

Получение данных также как и отправку, необходимо выполнять в отдельном потоке, чтобы избежать зависание главного activity. Принятые данные от БТ модуля мы будем выводить на экран главного activity в текстовом поле – MyText. Но возникает трудность — работа с view-компонентами доступна только из основного потока. А новые потоки, которые мы создаем, не имеют доступа к элементам экрана. Для решения данной проблемы воспользуемся механизмом Handler.
Handler — это механизм, который позволяет работать с очередью сообщений. Он привязан к конкретному потоку (thread) и работает с его очередью. Handler умеет помещать сообщения в очередь. При этом он ставит самого себя в качестве получателя этого сообщения. И когда приходит время, система достает сообщение из очереди и отправляет его адресату (т.е. в Handler) на обработку.
Объявим Handler:

Источник

Adblock
detector