Robot tự cân bằng: 6 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Trong phần Có thể hướng dẫn này, chúng tôi sẽ hướng dẫn bạn cách chế tạo rô bốt tự cân bằng mà chúng tôi đã thực hiện dưới dạng dự án trường học. Nó dựa trên một số rô bốt khác, chẳng hạn như nBot và một rô bốt có thể hướng dẫn khác. Robot có thể được điều khiển từ điện thoại thông minh Android thông qua kết nối Bluetooth. Vì Tài liệu hướng dẫn này chỉ bao gồm quá trình xây dựng, chúng tôi cũng đã viết một tài liệu để trình bày về nền tảng kỹ thuật của mã và thiết bị điện tử. Nó cũng chứa các liên kết đến các nguồn đã được sử dụng, vì vậy bạn có thể xem chúng nếu tài liệu không đủ toàn diện cho bạn.

Để làm theo tất cả các bước của dự án này, bạn sẽ cần một số kỹ năng in 3D hoặc một số cách thông minh khác để gắn bánh xe vào động cơ.

Bước 1: Yêu cầu

Robot dựa trên bảng điều khiển gimbal không chổi than Martinez. Có một số biến thể nhỏ của bảng này, nhưng miễn là bạn có một bảng với chip ATmega328 và bộ điều khiển động cơ L6234 thì bạn sẽ ổn. Nếu bạn tìm kiếm “bảng Martinez” trên Google Hình ảnh, bạn sẽ thấy một số bảng có đầu nối dễ dàng cho chip IMU và / hoặc pin, thay vì đầu ghim hoặc lỗ. Trong trường hợp cuối cùng, sẽ rất hữu ích nếu bạn đặt hàng một gói ghim tiêu đề, sau đó bạn có thể hàn vào các lỗ.

Partlist

Một số mục trong danh sách này có chứa các liên kết đến các trang web.

• Bộ điều khiển: Martinez BoardDX.com (cũng đi kèm với IMU và một số chân cắm tiêu đề).
• IMU: MPU6050
• Pin (pin LiPo 3S 450 mAh) Lưu ý: bạn cũng sẽ cần bộ sạc LiPo 3S eBay.com
• Động cơ 2x: Động cơ không chổi than 2208, KV100DX.com
• Bánh xe (bạn có thể lấy những thứ này từ đồ chơi hoặc LEGO hiện có)
• 6x M2 vít 5 mm
• Vít 8x M3 (chiều dài phụ thuộc vào vật liệu làm bên ngoài của bạn, một vít cần phải dài thêm)
• Chip Bluetooth HC-05 (hãy chắc chắn mua chip có gắn bảng giao diện nối tiếp, không chỉ là chip trần) QUAN TRỌNG: Đảm bảo chip có một chân có nhãn KEY.
• Dây: Từ nữ đến nữ DuPont Mua một gói 20 dây sẽ là quá đủ
• Băng dán
• Cáp USB để kết nối bộ điều khiển với PC
• Tùy chọn: Ghim tiêu đềDX.com (bạn có thể cắt hoặc bẻ chúng theo chiều dài mong muốn)
• Vòng đệm và miếng đệm bằng nhựa

Cuối cùng, bạn cần một ít acrylic, gỗ hoặc bìa cứng kèm theo keo hoặc băng dính để tạo ra một cấu trúc giữ tất cả các thành phần.

Bước 2: Cấu hình chip Bluetooth

Khi bạn đã nắm được tất cả các bộ phận, đã đến lúc cấu hình chip Bluetooth. Bạn sẽ cần cáp USB để kết nối bảng điều khiển kết nối với máy tính của mình cũng như Arduino IDE để giao tiếp với các thành phần.

Đối với điều này, bạn sẽ cần tải xuống tệp:

HC-05_Serial_Interface.ino

Sau đó, hãy làm theo các bước sau:

1. Kết nối bộ điều khiển với máy tính của bạn bằng cáp USB.
2. Mở tệp.ino bằng Arduino IDE.
3. Trong IDE, đi tới Công cụ, Bảng và đảm bảo rằng nó được đặt thành Arduino / Genuino Uno.
4. Bây giờ, hãy truy cập Công cụ, Cổng và đặt nó thành cổng COM mà bộ điều khiển được kết nối. Thông thường chỉ có một cổng. Nếu có nhiều, hãy kiểm tra Trình quản lý thiết bị (trong Windows) để tìm xem cái nào là bộ điều khiển.
5. Bây giờ, nhấn nút Tải lên trong IDE và đợi quá trình tải lên hoàn tất. Sau đó, ngắt kết nối cáp USB khỏi máy tính hoặc bộ điều khiển.

Sau khi bạn thực hiện xong việc này, hãy kết nối HC-05 bằng cáp DuPont như sau:

Bộ điều khiển HC-05

PHÍM + 5V GND GND TXD RX RXD TX

Bây giờ hãy cắm lại cáp USB, sau đó kết nối chân VCC của HC-05 với một chân + 5V khác trên bộ điều khiển. Đèn LED sẽ nhấp nháy với khoảng thời gian ~ 1 giây.

Trong Arduino IDE, chọn đúng cổng COM, sau đó đi tới Công cụ, Màn hình nối tiếp.

Đặt tùy chọn Kết thúc Dòng trong Màn hình Nối tiếp thành Cả NL & CR. Đặt tốc độ Baud thành 38400. Bây giờ bạn có thể sử dụng Serial Monitor để gửi các lệnh thiết lập tới chip Bluetooth. Đây là các lệnh:

AT Kiểm tra kết nối

AT + NAME Lấy / đặt tên hiển thị Bluetooth AT + UART Lấy / đặt tốc độ truyền AT + ORGL Đặt lại mặc định ban đầu AT + PSWD Lấy / đặt mật khẩu Bluetooth

Để thay đổi tên, mật khẩu và tốc độ truyền của thiết bị Bluetooth, hãy gửi các lệnh sau:

AT + NAME = "Tên mẫu"

AT + PSWD = "PassWord123" AT + UART = "230400, 1, 0"

Các tùy chọn Tên và Mật khẩu có thể được đặt thành bất cứ thứ gì bạn muốn, chỉ cần đảm bảo đặt tốc độ truyền bằng lệnh chính xác như được liệt kê ở trên. Điều này đặt nó thành 230400 baud, với 1 bit dừng và không có chẵn lẻ. Sau khi thiết lập mọi thứ, hãy kết nối lại cáp USB (để thoát khỏi chế độ thiết lập) và thử ghép nối điện thoại của bạn với chip. Nếu mọi thứ hoạt động, hãy ngắt kết nối cáp USB và chuyển sang bước tiếp theo.

Bước 3: Gắn bánh xe vào động cơ

Các bánh xe được sử dụng trong dự án này không rõ nguồn gốc (chúng được đặt xung quanh trong ngăn kéo với rất nhiều thứ khác). Để gắn bánh xe vào động cơ, chúng tôi đã in 3D một mảnh khớp với các lỗ vít trên động cơ. Các mảnh được vặn bằng cách sử dụng ba vít 5 mm 2M cho mỗi động cơ. Cả hai mảnh đều có chốt khớp với các lỗ trên trục của bánh xe.

Mô hình SolidWorks được bao gồm. Bạn có thể sẽ phải sửa đổi nó cho bánh xe của mình hoặc tìm một giải pháp thực tế khác để lắp bánh xe. Ví dụ: bạn có thể sử dụng Dremel để khoét một lỗ có cùng kích thước với động cơ (hoặc nhỏ hơn một chút để tạo cho nó vừa khít), sau đó bạn có thể ấn động cơ vào bánh xe. Chỉ cần đảm bảo có được bánh xe thích hợp cho công việc này nếu bạn định làm việc này.

Bước 4: Tạo ngoại thất

Đối với bên ngoài, hai miếng gỗ đã được sử dụng và cắt theo hình dạng giống nhau. Để bắt đầu, chúng tôi đã đánh dấu đường vòng của động cơ ở tâm dưới cùng của mảnh. Sau đó, chúng tôi đánh dấu mỗi góc bằng một đường thẳng 45 độ, đảm bảo chừa đủ chỗ cho động cơ đặt ở tâm dưới cùng. Sau đó chúng tôi kẹp hai miếng gỗ lại với nhau và cưa các góc. Để hoàn thiện mọi thứ, chúng tôi chà nhám các góc để chúng bớt sắc hơn và loại bỏ các mảnh vụn.

Bây giờ đã đến lúc khoan lỗ cho các vít và trục đang phình ra khỏi mặt sau của động cơ. Nếu bạn kẹp các mảnh gỗ lại với nhau khi khoan, bạn chỉ phải khoan mỗi lỗ một lần.

Để tạo bố cục cho các lỗ vít, chúng tôi sử dụng một mảnh giấy và đặt nó vào mặt sau của động cơ và dùng bút chì để ấn vào các lỗ vít, xuyên qua giấy. Sau đó, mảnh giấy có bốn lỗ bắt vít được đặt trên gỗ để chúng ta có thể đánh dấu vị trí của các lỗ sẽ khoan. Để khoan các lỗ, sử dụng mũi khoan 3, 5 mm. Bây giờ, sử dụng bút chì và thước kẻ để tìm tâm của các lỗ này và tạo lỗ cho trục bằng cách sử dụng một mũi khoan 5 mm. Gắn các mô-tơ bằng vít M3, nhưng để một trong những vít có khoảng cách rộng hơn ra khỏi một mô-tơ.

Để có đầu nối động cơ và dây bên trong của robot, chúng tôi cũng khoan một lỗ 8 mm phía trên động cơ một chút. Đảm bảo có đủ chỗ để dây uốn cong mà không làm chúng căng quá.

Điều quan trọng là phải làm việc chính xác nhất có thể để tạo ra một (gần như) hoàn hảo bên ngoài đối xứng

Bước 5: Lắp các thành phần

Đánh dấu một đường hướng dẫn chính giữa theo chiều dọc trên gỗ để bạn có thể đặt các thành phần vào chính giữa. Bạn có thể gắn mọi thứ vào gỗ bằng cách sử dụng băng dán. Trong rô bốt của chúng tôi, chúng tôi đã sử dụng các bu lông và đai ốc nhỏ để cố định bảng điều khiển, nhưng bạn cũng có thể sử dụng băng dán (chúng tôi chưa có băng dán vào thời điểm chúng tôi gắn bộ điều khiển). Đảm bảo rằng bạn có thể cắm cáp USB sau khi hoàn thành việc xây dựng.

Chúng tôi đặt bộ điều khiển ở trung tâm với cổng USB hướng xuống, vì vậy chúng tôi có thể cắm cáp từ giữa các bánh xe. Bạn cũng có thể trỏ nó sang một trong hai bên.

Đặt pin càng cao càng tốt, để rô bốt trở nên nặng hơn. Đồng thời đặt cổng sạc ở nơi dễ lấy gần mép.

Chip Bluetooth

Kết nối chân VCC của chip Bluetooth với + 5V trên bộ điều khiển và Bluetooth GND với GND của bộ điều khiển. Chân TXD của bộ điều khiển chuyển đến Bluetooth RX và chân RXD trên bộ điều khiển chuyển đến chân Bluetooth TX. Sau đó, chỉ cần dán chip Bluetooth vào một nơi nào đó trên bảng gỗ bằng cách sử dụng băng dán.

Chip chuyển động

Con chip chuyển động có hai lỗ vít, vì vậy chúng tôi gắn con chip bằng cách sử dụng một miếng đệm, sao cho tâm của con chip nằm trên tâm của động cơ. Hướng không quan trọng vì rô bốt tự hiệu chỉnh khi khởi động. Đảm bảo sử dụng vòng đệm nhựa dưới đầu vít để tránh làm chập mạch.

Sau đó sử dụng dây DuPont để kết nối các chân với bộ điều khiển. Mỗi chân được dán nhãn giống nhau trên bộ điều khiển cũng như trên chip chuyển động, vì vậy việc kết nối nó khá dễ hiểu.

Công tắc điện

Kết nối công tắc nguồn rất dễ dàng. Chúng tôi đã lấy một chiếc từ một thiết bị cũ và giải mã nó khỏi bảng mạch của nó. Để sử dụng nó làm công tắc nguồn cho rô-bốt, bạn kết nối dây dương của pin với chân cắm (giả sử đó là công tắc ba chân) ở phía bạn muốn đặt công tắc ở vị trí bật. Sau đó, kết nối chân giữa với đầu vào nguồn tích cực của bộ điều khiển. Chúng tôi đã hàn dây DuPont vào công tắc để bản thân pin không được gắn vĩnh viễn vào công tắc.

Kết nối các bên

Bây giờ bạn biết vị trí của các thành phần và bạn đã có hai mặt của robot. Bước cuối cùng trong quá trình xây dựng robot sẽ là kết nối hai bên với nhau. chúng tôi đã sử dụng bốn bộ ba miếng gỗ dán lại với nhau và vặn nó sang các bên để con chip chuyển động của chúng tôi nằm trên trục giữa của robot. Cần phải nói rằng vật liệu được sử dụng, miễn là nó đủ chắc chắn, không quá quan trọng. Bạn thậm chí có thể sử dụng một kết nối nặng hơn ở phía trên để tăng chiều cao của khối tâm hơn nữa. Nhưng không giống như vị trí thẳng đứng của khối tâm, vị trí nằm ngang của khối tâm nên được giữ ở vị trí càng nhiều càng tốt, phía trên trục bánh xe, vì việc viết mã cho chip chuyển động sẽ trở nên khá khó khăn hơn là tâm nằm ngang. khối lượng dịch chuyển.

Bây giờ bạn đã sẵn sàng tải lên mã và điều chỉnh bộ điều khiển.

Bước 6: Tải lên và điều chỉnh mã

Để tải mã lên, bạn cần một máy tính có IDE Arduino. Tải xuống tệp.ino bên dưới và mở nó bằng Arduino IDE. Tải nó lên bộ điều khiển được thực hiện giống như cách bạn đã làm với mã từ thiết lập Bluetooth.

Để robot hoạt động, bạn cần tải xuống ứng dụng ‘Joystick bluetooth Commander’ từ Cửa hàng Play. Bật nguồn của rô-bốt và đặt rô-bốt trên sàn, ở mặt trước hoặc mặt sau. Khởi chạy ứng dụng và kết nối với chip Bluetooth. Trường dữ liệu 1 sẽ chuyển từ XXX sang SN SÀNG sau khi rô bốt đã tự hiệu chỉnh (5 giây để đặt nó nằm nghiêng, sau đó là 10 giây hiệu chỉnh). Bạn có thể bật rô-bốt bằng cách chuyển nút 1 trong ứng dụng. Bây giờ, đặt robot theo chiều dọc trên mặt đất và thả ra khi bạn cảm thấy động cơ bật nguồn. Đây là lúc robot bắt đầu tự cân bằng.

Robot hiện đã sẵn sàng được điều chỉnh, vì độ ổn định của nó có thể không tốt. Bạn có thể thử nếu nó hoạt động mà không cần điều chỉnh thêm, nhưng bạn phải làm cho robot khá giống với robot của chúng ta để nó hoạt động bình thường. Vì vậy, trong hầu hết các trường hợp, bạn nên điều chỉnh bộ điều khiển để hoạt động tốt nhất với robot của mình. Nó khá dễ dàng, mặc dù khá tốn thời gian. Đây là cách thực hiện:

Điều chỉnh bộ điều khiển

Ở đâu đó trong mã, bạn sẽ tìm thấy 4 biến, bắt đầu bằng k. Đây là kp, kd, kc và kv. Bắt đầu bằng cách đặt tất cả các giá trị thành 0. Giá trị đầu tiên cần đặt là kp. Giá trị kp mặc định là 0,17. Hãy thử đặt nó thành một cái gì đó thấp hơn nhiều, chẳng hạn như 0,05. Tắt robot, tải mã lên và xem cách nó cố gắng cân bằng. Nếu nó giảm về phía trước, hãy tăng giá trị. Cách thông minh nhất để làm điều này là nội suy:

1. Đặt giá trị ở mức thấp và dùng thử
2. Đặt giá trị ở mức cao và dùng thử
3. Đặt giá trị thành giá trị trung bình của cả hai và dùng thử
4. Bây giờ, hãy thử tìm hiểu xem nó cân bằng tốt hơn trên giá trị thấp hay cao và trung bình giá trị hiện tại và giá trị mà nó hoạt động tốt hơn.
5. Tiếp tục cho đến khi bạn tìm thấy một điểm ngọt ngào

Điểm hấp dẫn cho giá trị kp là khi giá trị này ở gần biên của bù trừ thấp và quá mức. Vì vậy, đôi khi nó sẽ rơi về phía trước vì nó không thể theo kịp tốc độ rơi của nó và những lần khác nó sẽ rơi về phía sau vì nó vượt quá một hướng khác.

Sau khi bạn đã đặt giá trị kp, hãy đặt kd. Điều này có thể được thực hiện theo cách tương tự như bạn đã làm với kp. Tăng giá trị này cho đến khi rô bốt gần như cân bằng, để rô bốt sẽ lắc lư qua lại cho đến khi bị ngã. Nếu bạn đặt nó quá cao, bạn có thể khiến nó cân bằng khá gọn gàng rồi, nhưng khi cân bằng bị xáo trộn quá nhiều, nó sẽ bị đổ (như khi bạn đẩy nó). Vì vậy, hãy thử tìm vị trí mà nó không hoàn toàn cân bằng, nhưng khá gần.

Như bạn có thể đoán, việc điều chỉnh bộ điều khiển có thể mất vài lần thử vì nó ngày càng khó hơn với mỗi biến mới được đưa vào. Vì vậy, nếu bạn nghĩ rằng nó sẽ không hiệu quả, hãy bắt đầu lại.

Bây giờ đã đến lúc thiết lập kv. Nội suy điều này cho đến khi bạn tìm thấy một giá trị mà tại đó robot ngừng lắc lư, giữ thăng bằng và có thể xử lý một cú đẩy nhẹ. Khi đặt quá cao, nó sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến sự ổn định. Hãy thử chơi với kv và kp để tìm ra điểm mà tại đó nó ổn định nhất. Đây là bước tốn nhiều thời gian nhất của việc chỉnh âm.

Giá trị cuối cùng là kc. Giá trị này làm cho robot quay trở lại vị trí cuối cùng của nó sau khi bù cho một cú đẩy hoặc thứ gì đó khác. Bạn có thể thử cùng một phương pháp nội suy ở đây, nhưng 0,0002 sẽ hoạt động khá tốt trong hầu hết các trường hợp.

Đó là nó! Robot của bạn hiện đã sẵn sàng. Sử dụng cần điều khiển trên điện thoại thông minh của bạn để điều khiển robot. Tuy nhiên, hãy cẩn thận, vì đi về phía trước với tốc độ tối đa vẫn có thể khiến rô bốt bị ngã. Chơi xung quanh với các biến bộ điều khiển để bù đắp cho điều này nhiều nhất có thể. Bước hợp lý nhất sẽ là xem xét giá trị kp cho giá trị này, vì giá trị đó trực tiếp bù cho góc hiện tại của rô bốt.

Lưu ý quan trọng về pin LiPo

Bạn nên thường xuyên kiểm tra điện áp của pin LiPo. Pin LiPo không được xả xuống dưới 3 volt trên mỗi cell đo 9 volt trên LiPo 3S. Nếu điện áp giảm xuống dưới 3 volt trên mỗi cell, pin sẽ bị mất dung lượng vĩnh viễn. Nếu điện áp giảm xuống dưới 2,5 volt trên mỗi cell, hãy vứt bỏ pin và mua pin mới. Sạc pin LiPo với ít hơn 2,5 volt là rất nguy hiểm vì điện trở bên trong trở nên rất cao, dẫn đến pin nóng và tiềm ẩn nguy cơ hỏa hoạn trong khi sạc.