HeadBot-'n selfbalanserende robot vir STEM-leer en uitreik: 7 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:25

Headbot-'n selfbalanserende robot van twee voet lank-is die geesteskind van die South Eugene Robotics Team (SERT, FRC 2521), 'n mededingende hoërskool-robotiese span in die EERSTE Robotiekompetisie, van Eugene, Oregon. Hierdie gewilde uitreikrobot kom gereeld by skole en gemeenskapsgeleenthede voor, waar dit skares volwassenes sowel as kinders lok. Omdat die robot duursaam en maklik is om te gebruik met 'n Android -telefoon of -tablet, kan kinders van so jonk as drie dit suksesvol bestuur. En omdat die bot 'n wye verskeidenheid hoede, maskers en ander kostuums kan aantrek, is dit 'n vermaaklike toevoeging tot byna elke byeenkoms. SERT -lede gebruik die bot om nuwe spanlede te werf en om 'n algemene belangstelling in STEM in die gemeenskap aan te wakker.

Die totale koste van die projek beloop ongeveer $ 200 (as u 'n 3D-drukker en 'n Android-toestel het), alhoewel dit tot minder as $ 100 geskeer kan word as u 'n goed gevulde elektronikawinkel het met maklike toegang tot soldeersel, krimpkous jumperdrade, weerstande, kapasitors, batterye en 'n mikro -USB -kabel. Konstruksie is eenvoudig as u reeds elektroniese ervaring het, en dit bied 'n uitstekende geleentheid vir diegene wat bereid is om te leer. Vir diegene met 'n spesifieke belangstelling in robotika, bied Headbot ook 'n goeie platform vir die ontwikkeling van vaardighede in proporsioneel-integraal-afgeleide (PID) tuning vir terugvoerbeheer.

Voorrade

Let op dat die onderstaande lys hieronder die aantal onderdele van elke tipe aandui, nie die aantal pakkette nie. Sommige skakels verwys na bladsye waar veelvuldige onderdele as 'n pakket gekoop kan word (wat 'n mate van besparing inhou) - sorg dat u die aantal pakkette koop wat nodig is om die regte hoeveelheid onderdele te verkry.

Elektroniese komponente

• 1x ESP32 -mikrobeheerder
• 2x Stepper Motors
• 2x A4988 stapmotorbestuurders
• 1x MPU-6050 Gyroscoop/versnellingsmeter
• 1x 100uF kondensator
• 1x UBEC (Universal Battery Elimination Circuit)
• 1x Spanningsverdeler (1x 10kohm en 1x 26.7kohm weerstand)
• 2x 5mm gewone anode RGB LED -ligte
• Weerstands van 6 x 220 ohm
• Jumper Wires (man-man en vrou-vrou)
• Elektriese draad
• 3x JST SM -aansluitproppe
• 2x 4-batterykas
• Hitte krimp
• Soldeer

Hardeware

• 1x 3D -bedrukte omhulsel, pet en elektriese bord (sien instruksies hieronder)
• 2x 5 "presisie skyfwiele
• 2x 0.770 "wielnawe met 'n boor van 5 mm
• 8x herlaaibare AA -batterye en laaier
• 1x piepschuimkop
• 1x 2,5 "stuk 3/4" PVC -pyp (om kop vas te maak)
• 8x M3 -sluitwassers (om motors te monteer)
• 8x M3 x 8mm skroewe (om motors te monteer)
• 8x 6-32 x 3/8 "skroewe (om wiele op nawe te monteer)
• 2x Zipties
• Buis of gaffelband
• 2x stywe metaalstawe of stewige drade (bv. Afgesny van draadhangers) ongeveer. 12 "lank

Aanbevole gereedskap

• Draadstropper
• Draadsnyer
• Soldeerbout
• Warmtepistool
• Elektriese boor
• 1 "x 16" graafbit
• Inbussleutelstel
• Warm gom geweer
• Mikro -USB -kabel met 'n hoekprop

Stap 1: 3D -druk die omhulsel, kap en elektronika -bord uit

3D -afdruk van die omhulsel, pet en elektroniese bord. Laai die stl -lêers hier af. Onderdele moet met PLA gedruk word met 'n resolusie van 0,25 mm en 'n vulsel van 20%, sonder vlotte of ondersteunings nodig nie.

Stap 2: Voeg motors, wiele en band by die omhulsel

Motors: Plaas die stepper motors in die onderkant van die omhulsel (met die drade uit die bokant van die motors) en maak dit vas met M3x8mm skroewe en M3 borgmoerringe met 'n geskikte heksleutel of skroewedraaier. Plaas die wielnawe op die asse en draai vas deur die stelskroewe aan die plat gedeelte van die as vas te trek.

Wiele: rek die rubberringe om die buitekant van die wielskyf. Bevestig die wiele met die 6-32x3/8”skroewe op die wielnawe. (Die wiele kan styf om die naaf pas. As dit so is, posisioneer dit so goed as moontlik, draai die skroewe stadig bietjie vas, beweeg van skroef na skroef en herhaal, sodat die skroewe die wiel in plek kan trek.)

Berei die dop en PVC -pyp voor: Voeg buis of gaffelband aan die bokant van die omhulsel sodat die dop met 'n stewige, veilige pas kan gly. Voeg band aan die een kant van die 2,5”stuk ¾” PVC -pyp vas sodat dit met 'n stewige, veilige pas in die gat in die dop gly. Indien nodig, kan tape ook aan die ander kant van die PVC vasgemaak word om 'n goeie pas in die gat aan die onderkant van die kop te verseker.

Stap 3: Berei die elektronika -bord voor

Smeer band op die elektronika -bord vas: Plaas 'n buis of gaffelband aan die kante van die elektroniese bord sodat dit in die relings aan die binnekant van die omhulsel kan gly.

MPU-6050 Gyroscope/Accelerometer: Soldeer die penne aan die MPU-6050 Gyroscope/Accelerometer, met die lang kant van die penne aan dieselfde kant van die printplaat as die chips. Gebruik 'n groot hoeveelheid warm gom om die MPU vas te maak aan die klein rak wat uit die basis van die elektronbord kom, sodat die penne links van die bord is terwyl u na die rak kyk.

A4988-stapmotorbestuurder: Gebruik 'n klein skroewedraaier om die klein stroombeperkende potensiometer op elke A4988-stapmotorbestuurder met die kloksgewys te draai. Trek die papier van die band af op die heatsinks vir die motorbestuurders en pas dit toe om die skyfies in die middel van die printplaat te bedek. Gebruik genoeg warm gom om die motorbestuurders (met die potensiometers na bo) vas te maak aan die kant van die elektronika -bord oorkant die rak met die MPU, terwyl die penne deur die twee pare vertikale gleuwe bo -op die elektronika -bord uitsteek (wees versigtig om nie gom op die penne te kry nie, wat aan dieselfde kant as die MPU moet uitsteek). Ryg 'n rits vas deur die klein gaatjies bokant elke motorbestuurder om dit verder vas te maak.

ESP32 -mikrokontroller: Plaas 'n mikro -USB -kabel in die prop op die ESP32 -mikrobeheerder (dit sal gebruik word om die einde van die printplaat 'n entjie van die elektronika -bord af te hou, sodat toegang tot die prop verseker kan word nadat die ESP32 vasgeplak). Plaas die ESP32 met die prop aan die regterkant terwyl u na die chipkant kyk, en gebruik genoeg gom om dit op die printplaat vas te maak, met die penne wat deur die horisontale gleuwe in die middel van die bord na die kant van die MPU steek (neem sorg dat daar geen gom op die penne of die USB -kabel kom nie). Nadat die gom verhard is, verwyder die USB -kabel.

Stap 4: Elektroniese stroombane

Algemene instruksies: Volg die stroombaandiagram (laai die onderstaande pdf af vir 'n hoë resolusie weergawe) om die kabels te maak wat nodig is om die elektroniese komponente aan te sluit. Verbindings tussen twee penne kan direk gemaak word met 'n enkel vroulike-vroulike springdraad. Verbindings tussen 3 of meer penne kan gemaak word met die meer ingewikkelde draadkabels wat hieronder beskryf word. Harnasse kan geskep word deur vroulike-vroulike springers in die helfte te sny en dit dan saam met ander komponente (weerstande, kondensator, proppe, kort drade) te soldeer, soos toepaslik. Gebruik in alle gevalle hitte -krimpbuise om die soldeerverbinding te isoleer.

Batterypakke: Maak seker dat die batterye in die gleuwe aan die onderkant van die 3D -gedrukte omhulsel kan gly. As dit nie pas nie, gebruik 'n lêer om dit te vorm totdat dit pas. Maak die drade van twee van die vroulike JST SM -aansluitproppe (ongeveer 'n duim) los en soldeer een aan die leidings van elke battery.

Hoofkragboom: Die hoofkragboom ontvang insette van twee manlike JST SM -aansluitproppe, met die + -kabel van die een stekker van die ander - om die twee batterypakke in serie aan te sluit (wat 'n gekombineerde 12v -ingang tot gevolg het)). Die ander leidings word verbind deur die 100uF -kondensator (om spanningspieke te buffer; die korter been van die kondensator word aan die - leiding geheg, terwyl die langer been aan die +12v -aansluiting geheg is) en met 'n spanningsverdeler wat bestaan uit 'n weerstand van 10 kohm (gekoppel aan die - leiding) en 'n weerstand van 26,7 kOhm (gekoppel aan die +12v -aansluiting), met 'n vroulike springer tussen die weerstande wat SVP op die ESP32 sal pen (dit bied 'n afgeskaalde ingang met 'n maksimum van 3.3v wat gebruik word om gee 'n uitlees van die spanning wat in die batterypakke oorbly). Bykomende vroulike springers bied onderskeidelik +12v (2 springers) en - insette (2 springers) aan die VMOT en die aangrensende GND -penne op die stepper -bestuurders. Boonop word 'n Universal Battery Elimination (UBEC) gesoldeer tot +12v en-leidings van die hoofkragboom (die invoer na die UBEC is die sy met die vatvormige kondensator), met die +5v en-uitsette van die UBEC gesoldeer na 'n vroulike JST SM -prop.

5v -ingang na die ESP32: Soldeer 'n manlike JST SM -aansluitprop aan twee vroulike jumperproppe, om insette van die 5v- en GND -insette vanaf die UBEC na die ESP32 te lewer (hierdie prop maak dit maklik om te ontkoppel as die ESP32 deur die mikro -USB -invoer, vir wanneer kode op die mikrobeheerder gelaai word).

3.3v kragboom: Soldeer 7 vroulike springers om die 3.3v -pen op die ESP32 aan die VCC -pen op die MPU, die VDD- en MS1 -penne op elk van die stapmotorbestuurders te koppel, en aan die manlike trui wat die LED -oë voorsien. (wat die krag van die oë maklik kan ontkoppel as die ESP32 van die mikro -USB af gevoer word terwyl kode gelaai word).

Grondharnas: soldeer 3 vroulike springers om 'n GND -pen op die ESP32 aan die GND -penne (langs die VDD -pen) op elk van die stapmotorbestuurders te koppel.

Stepper aktiveer harnas: Soldeer 3 vroulike springers om pen P23 op die ESP32 aan die ENABLE -penne op elk van die stapmotorbestuurders te koppel.

Enkelkoppe: Enkele springers word gebruik om die volgende verbindings te maak:

• GND op die ESP32 tot GND op die MPU
• P21 op die ESP32 na SCL op die MPU
• P22 op die ESP32 na SDA op die MPU
• P26 op die ESP32 na DIR op die linkerstapbestuurder
• P25 op die ESP32 tot STEP in die linkerstapbestuurder
• Trui SLAAP en HERSTEL op die linkerstuurbestuurder
• P33 op die ESP32 na DIR op die regte stepper driver
• P32 op die ESP32 tot STEP op die regterstapper
• Trui SLAAP en HERSTEL op die regte stepper driver

Koppel die UBEC: Die vroulike JST SM -aansluiting op die UBEC -uitgang kan in die bypassende mannetjieprop gekoppel word wat krag en grond aan die 5v- en GND -insette op die ESP32 verskaf. Hierdie prop moet egter losgemaak word wanneer die ESP32 deur 'n mikro-USB aangedryf word (byvoorbeeld tydens die laai van kode), of andersins kan 'n omgekeerde stroom van die ESP32 na die hoofkragboom die behoorlike werking van die ESP32 belemmer.

Installeer die elektronika -bord: Skuif die elektronika -bord in die relings aan die binnekant van die omhulsel.

Koppel motorkabels: Koppel die leidings van die linkermotor aan die linkerstapper, met die blou, rooi, groen en swart drade wat onderskeidelik aansluit by penne 1B, 1A, 2A en 2B. Verbind die leidings van die regtermotor met die regte stepper -aandrywer, met die blou, rooi, groen en swart drade wat onderskeidelik aansluit by penne 2B, 2A, 1A en 1B (let op dat die motors in spieëlbeeld bedraad is, aangesien hulle teenoorgestelde rigtings). Steek die oortollige motorbedrading in die onderste gedeelte van die omhulsel.

Koppel die batterye: Skuif die batterye in hul sakke in die omhulsel en steek hul vroulike JST SM -aansluitproppe in by die bypassende mannetjiesproppe op die ingang na die hoofkragboom (die leidings van die voorste battery kan deur die gat in die middel van die elektroniese bord om toegang tot die prop agter te kry). Die batterye kan ontkoppel word sodat nuwe batterye maklik geplaas kan word. As u die aan / uit -skakelaar op die een of ander battery in die af -posisie skakel, word die stroom na die stroombaan ontkoppel (aangesien die pakke in serie is).

Stap 5: Berei die kop en oë voor

Verleng die gat aan die onderkant van die kop: gebruik die 1 "-boretjieboor om die diepte van die gat in die onderkant van die kop te vergroot, sodat dit bo die hoogte van die oë eindig (dit is handig om 'n klein stukkie te sit band op 'n geskikte plek op die as van die boor om aan te dui wanneer 'n geskikte diepte bereik is). Druk die boor 2-3 "in die gat voor u boor om nie die opening van die gat te beskadig nie (u wil 'n goeie pas op die PVC-pyp hê wat dit aan die dop van die omhulsel vasmaak). Stoor 'n paar van die groter stukke piepschuim om die oë later weer te vul.

Skep hake om drade te trek/trek: Buig 'n klein N -vorm aan die een kant van 'n stywe metaalstaaf (dit word gebruik om die drade te druk om die LED -oë deur die piepschuimkop te dryf). Buig 'n klein haak aan die einde van die ander stywe metaalstaaf (dit word gebruik om die draad uit die gat in die onderkant van die kop te haal).

Draaddrade: Bind groot lusse in die punte van die rooi, geel, groen en blou drade vas met knope. Werk met een draad op 'n slag, haak die lus aan die einde van die N -vormige haak en druk dit deur die oog van die kop, hou die pad horisontaal en mik na die gat in die middel van die kop. As die draad in die gat gedruk word, gebruik die gehaakte staaf om die lus van die onderkant van die kop vas te trek en trek dit uit die gat, en trek ook die ander staaf uit die oog (laat 2-3 duim draad by die onderkant van die kop en uit die oog hang). Herhaal die proses met die ander drie gekleurde drade, en volg dieselfde pad van die oog na die middelste gat (gebruik 'n gemerkte ritssluiting om hierdie drade aan mekaar vas te maak en dui aan watter oog hulle beheer). Herhaal met nog 4 drade in die tweede oog.

Heg RGB -LED's aan: Verkort die leidings op die RGB -LED's, en maak seker dat u die gewone anode (die langer leiding) merk, en let op die ligging van die R (die enkele leiding aan die een kant van die anode, soos op die stroombaan -diagram getoon) en G- en B -leidrade (die twee leidrade aan die ander kant van die anode). Soldeer die toepaslike drade wat van een van die oë na die LED hang (rooi na die anode, geel tot R, groen na G en blou na B), isolasie van die verbindings met hitte krimpbuise. Druk die leidings van die LED in die kop, maar laat dit 'n bietjie uitsteek totdat dit getoets kan word. Herhaal die proses met die ander LED en die drade uit die ander oog.

Heg springdrade vas: Soldeer 'n weerstand van 220 ohm en 'n jumperdraad met 'n vroulike aansluiting op elk van die geel, groen en blou drade wat onder die kop uitsteek. Verbind die twee rooi drade en soldeer aan 'n trui met 'n manlike aansluiting (let op: dit is die enigste manlike trui wat in die kring nodig is).

Verbind springers en maak kop vas: Lei die springers deur die PVC -buis in die pet en skuif die PVC in die gat in die kop en maak dit vas aan die pet. Heg die manlike trui aan op 'n vroulike trui op die 3.3v -kragboom en die vroulike RGB -springers aan die ESP32 (geel, groen en blou drade van die linkeroog na P4, P0 en P2, onderskeidelik, en geel, groen en blou drade van die regteroog na onderskeidelik P12, P14 en P27). Bevestig laastens die kop/pet op die hoofomhulsel.

Stap 6: Laai die kode op en installeer die bestuurderstasie

Die installering van die HeadBot -kode op die ESP32: Laai die Arduino IDE af en installeer dit op u rekenaar. Besoek https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa en klik op 'Download Zip' onder die groen 'Clone or Download' knoppie. Beweeg die vouer na binne na enige plek op u rekenaar, en hernoem dit na "ursa"

Maak ursa.ino oop met die Arduino IDE. Voeg https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json in die 'Voorkeure -kieslys' onder 'Lêer' by die 'Bykomende bestuurders -URL's.' Installeer esp32boards deur Espressif Systems onder Tools> Board manager. Kies 'esp32 dev module' onder Tools> Board. Installeer die PID by Brett Beauregard -biblioteek deur op 'Bestuur biblioteke' te klik in die menu 'Skets'.

Koppel aan die ESP32 met die USB-MicroUSB-kabel. Kies die bord onder Tools. Hou die klein knoppie met die naam "I00" langs die mikro -USB -aansluiting op die ESP32 ingedruk, druk dan die oplaai -knoppie op die Arduino IDE en laat die "I00" los as die Arduino IDE sê dat dit "Verbind …". Nadat die oplaai voltooi is, kan die MicroUSB -kabel ontkoppel word.

Die installering van die HeadBot -bestuurderstasie: Laai verwerking op u rekenaar af en installeer dit. Besoek https://github.com/SouthEugeneRoboticsTeam/ursa-ds-prototype en laai die kode af. Maak 'ursaDSproto.pde' oop met behulp van die verwerkings -IDE. Installeer die Ketai-, Game Control Plus- en UDP -biblioteke via die biblioteekbestuurder van die verwerking (Skets> Invoerbiblioteek). As u die dryfstasie op u rekenaar gebruik, kies Java -modus in die keuselys regs bo in die verwerkingsvenster; Om dit op Android uit te voer, installeer die Android -modus vir verwerking deur op die keuselys "Java" regs bo te klik. Koppel dan die toestel aan, aktiveer USB -ontfouting, kies Android -modus. Klik op 'Run Sketch' om die dryfstasie te bestuur. As u rekenaar aan 'n Android -toestel gekoppel is, word die bestuurderstasie daarop geïnstalleer.

Stap 7: Begin HeadBot en pas PID -waardes aan

Opstart: Maak seker dat die batterye verbind is en dat die UBEC -uitgang gekoppel is aan die ESP32 -ingangskonnekteerder. Terwyl Headbot in 'n stabiele posisie op sy sy lê, skakel die kragskakelaar op beide batterye na die AAN -posisie en laat Headbot 'n paar sekondes stilstaan terwyl die gyroscoop begin. Na 'n kort vertraging moet u die Headbot wifi -sein (SERT_URSA_00) op die toestel wat u sal gebruik om die bot te beheer, kan sien - kies dit en voer die wagwoord "Headbot" in. Nadat u 'n verbinding gemaak het, voer die dryfstasie -app op u telefoon/tablet uit, of voer die ritstasie -skrif in Verwerking op u rekenaar uit. Nadat die program begin is en 'n verbinding gemaak is, moet u sien dat die "toonhoogte" -waarde begin reageer, wat die kanteling van Headbot wys.

PID -waardes stel: om Headbot te beheer, moet u die PID -waardes afstem. Vir die weergawe van Headbot wat hier beskryf word. As u in die vierkant in die linkerbovenhoek van die dryfstasie klik, word die skuifbalkies oopgemaak om die waardes aan te pas. Die drie beste skuifbalkies is vir die aanpassing van P, I en D vir die hoek (PA, IA en DA) - hierdie waardes is van primêre belang om Headbot in staat te stel om sy balans te handhaaf. Die onderste drie skuifbalkies is vir die aanpassing van P, I en D vir die snelheid (PS, IS en DS) - hierdie waardes is belangrik om toe te laat dat Headbot sy rijsnelheid korrek kan aanpas volgens die joystick -invoer. Goeie beginwaardes met hierdie weergawe van Headbot is PA = 0.08, IA = 0.00, DA = 0.035, PS = 0.02, IS = 0.00 en DS = 0.006. Nadat u hierdie waardes ingestel het, klik op die "Save Setting" boks links bo in die dryfstasie (dit stoor die instellings in 'n meer duursame vorm wat die herlaai van die bot kan oorleef).

Probeer dinge: Klik op die groen joystickbalk in die regter boonste hoek van die dryfstasie om 'n joystick vir die bestuur van die robot te open. Staan Headbot regop in 'n byna gebalanseerde oriëntasie, en druk die donkergroen Aktiveer vierkant regs bo (as u op die aangrensende rooi blokkie druk, word die bot uitgeskakel). As alles goed gaan, het u 'n selfbalanserende Headbot, maar dit is waarskynlik dat u die PID-waardes moet verfyn. Daar is gewoonlik min I of D in vergelyking met P, so begin daar. Te min, en dit sal nie reageer nie. Te veel en dit sal heen en weer ossilleer. Begin met die Angle PID -waardes, en maak klein veranderinge om te sien hoe dinge geraak word. 'N D -term vir die hoeklus kan help om ossillasies tot die minimum te beperk, maar 'n klein hoeveelheid kan vinnig baie jitter veroorsaak, dus gebruik dit spaarsaam. As die hoekwaardes korrek is, moet Headbot 'n paar sagte drukte weerstaan sonder om te val. Klein koppe moet verwag word terwyl Headbot gebalanseer is, aangesien die stepper-motors met elke verstelling in halfstappe van 0,9 grade beweeg.

Sodra die balans bereik is, probeer om te bestuur deur die joystick klein bewegings te maak en die Speed PID -waardes aan te pas sodat die bot glad en grasieus reageer. Die verhoging van die I -term kan nuttig wees om te keer dat die robot nie by die vasgestelde snelheid bly nie. Wees egter gewaarsku-veranderinge aan die Speed PID-waardes sal verdere aanpassings aan die Angle PID-waardes (en omgekeerd) verg, aangesien die PID-lusse interaksie het.

Veranderinge in die totale gewig en gewigsverdeling van Headbot (soos om 'n bril, maskers, pruike of hoede te dra) sal die PID -waardes verder aanpas. Verder, as kostuums te veel van die weegskaal gooi, moet u moontlik die beginhoogte van die offsetwaarde in die ursa.ino -kode aanpas en die kode herlaai op die ESP32.

Naaswenner in die robotiese kompetisie