Selfbalanserende robot: 6 stappe (met foto's)

2025 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2025-01-23 12:53

In hierdie Instructable wys ons u hoe u die selfbalanserende robot wat ons as skoolprojek gemaak het, kan bou. Dit is gebaseer op 'n paar ander robotte, soos die nBot en 'n ander Instructable. Die robot kan beheer word vanaf 'n Android -slimfoon via 'n Bluetooth -verbinding. Aangesien hierdie instruksies slegs die bouproses dek, het ons ook 'n dokument geskryf om die tegniese agtergrond van die kode en elektronika te dek. Dit bevat ook skakels na die bronne wat gebruik is, sodat u dit kan bekyk as die dokument nie volledig genoeg vir u is nie.

Om al die stappe van hierdie projek te volg, benodig u 3D -drukvaardighede of 'n ander slim manier om die wiele aan die motors vas te maak.

Stap 1: Vereistes

Die robot is gebaseer op 'n Martinez -borstellose gimbal -kontroleerderbord. Daar is 'n paar klein variasies op hierdie bord, maar solank u een het met 'n ATmega328 -chip en L6234 -motorbeheerders, moet u goed wees. As u op Google Images na 'Martinez -bord' soek, sal u sien dat daar 'n paar borde is met 'n maklike aansluiting vir die IMU -chip en/of battery, in plaas van speldopskrifte of gate. In die laaste geval sal dit handig wees as u 'n pakkie koppenne bestel, wat u dan in die gate kan soldeer.

Deellys

Sommige van die items op hierdie lys bevat skakels na webwinkels.

• Beheerder: Martinez BoardDX.com (kom ook met die IMU en 'n paar kopstukke).
• IMU: MPU6050
• Battery (450 mAh 3S LiPo -battery) Let wel: u benodig ook 'n 3S LiPo -laaier eBay.com
• 2x motor: Borsellose motor 2208, KV100DX.com
• Wiele (u kan dit by bestaande speelgoed of LEGO kry)
• 6x M2 skroef 5 mm
• 8x M3 -skroef (lengte hang af van die materiaal vir u buitekant, die een moet ekstra lank wees)
• Bluetooth-chip HC-05 (kry seker een met 'n seriële koppelvlakbord aangeheg, nie net 'n kaal chip nie) BELANGRIK: Maak seker dat die chip 'n pen met die sleutel bevat.
• Drade: DuPont van vrou tot vrou Om 'n pakkie van 20 drade te koop, is meer as genoeg
• Klittenband
• USB -kabel om die beheerder aan 'n rekenaar te koppel
• Opsioneel: Header pinsDX.com (u kan dit sny of breek tot die verlangde lengte)
• Plastiekwassers en afstandhouers

Uiteindelik benodig u akriel, hout of karton, vergesel van gom of band, om 'n struktuur te skep wat alle komponente bevat.

Stap 2: Bluetooth Chip -konfigurasie

As u al die onderdele in die hande kry, is dit tyd vir die opstelling van die Bluetooth -chip. U benodig 'n USB -kabel om die controller board aan te sluit op u rekenaar sowel as die Arduino IDE om met die komponente te kommunikeer.

Hiervoor moet u die lêer aflaai:

HC-05_Serial_Interface.ino

Volg dan hierdie stappe:

1. Koppel die beheerder aan u rekenaar met 'n USB -kabel.
2. Maak die.ino -lêer oop met die Arduino IDE.
3. Gaan in die IDE na Tools, Board en maak seker dat dit ingestel is op Arduino/Genuino Uno.
4. Gaan nou na Tools, Port en stel dit in op die COM -poort waarmee die kontroleerder gekoppel is. Gewoonlik is daar slegs een poort. As daar meer is, gaan na die Apparaatbestuurder (in Windows) om uit te vind watter een die beheerder is.
5. Druk nou die oplaai -knoppie in die IDE en wag totdat die oplaai voltooi is. Ontkoppel dan die USB -kabel van die rekenaar of die beheerder.

Nadat u dit gedoen het, verbind die HC-05 met behulp van DuPont-kabels soos volg:

HC-05-beheerder

SLEUTEL +5V GND GND TXD RX RXD TX

Koppel die USB-kabel weer aan, en koppel dan die HC-05 se VCC-pen aan 'n ander +5V op die beheerder. Die LED moet met 'n interval van ~ 1 sekonde flikker.

Kies in die Arduino IDE die korrekte COM -poort en gaan dan na Tools, Serial Monitor.

Stel die opsie Line Ending in die Serial Monitor in op beide NL en CR. Stel die Baud -tempo op 38400. Nou kan u die Serial Monitor gebruik om opstellingopdragte na die Bluetooth -chip te stuur. Dit is die opdragte:

AT Kontroleer verbinding

AT+NAAM Kry/stel Bluetooth -vertoningsnaam AT+UART Kry/stel baud -tempo AT+ORGL Herstel fabrieksinstellings AT+PSWD Kry/stel Bluetooth -wagwoord in

Stuur die volgende opdragte om die naam, wagwoord en baud -tempo van die Bluetooth -toestel te verander:

AT+NAME = "Voorbeeldnaam"

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

Die naam- en wagwoordopsies kan ingestel word op wat u wil, maar stel die baud -tempo in met dieselfde opdrag as hierbo gelys. Dit stel dit op 230400 baud, met 1 stopbit en geen pariteit nie. Nadat u alles opgestel het, koppel u die USB -kabel weer aan (om die opstellingsmodus te verlaat) en probeer u telefoon aan die chip koppel. As alles werk, ontkoppel die USB -kabel en gaan na die volgende stap.

Stap 3: Bevestig die wiele aan die motors

Die wiele wat in hierdie projek gebruik is, het 'n onbekende oorsprong (hulle lê in 'n laai met baie ander goed). Om die wiele aan die motors vas te maak, het ons 'n stuk in 3D gedruk wat pas by die skroefgate op die motors. Die stukke is vasgeskroef met drie 5 millimeter 2M skroewe per motor. Albei stukke het 'n pen wat pas by die gate in die wiele se asse.

Die SolidWorks -model is ingesluit. U sal dit waarskynlik vir u wiele moet aanpas, of 'n ander praktiese oplossing moet vind om by die wiele te pas. U kan byvoorbeeld 'n Dremel -gat gebruik om 'n gat van dieselfde grootte as die motor te sny (of 'n bietjie kleiner om dit goed te pas), en dan kan u die motor in die wiel druk. Maak seker dat u die regte wiele vir hierdie werk kry as u van plan is om dit te doen.

Stap 4: Skep die buitekant

Vir die buitekant is twee stukke hout gebruik en in dieselfde vorm gesny. Om mee te begin, het ons die omtrek van die motor in die middelste deel van die stuk gemerk. Ons merk dan elke hoek met 'n lyn van 45 grade, sodat ons genoeg ruimte laat sodat die motor in die middelste middel kan sit. Ons het die twee stukke hout aan mekaar vasgemaak en die hoeke afgesaag. Om dinge af te handel, het ons die hoeke geskuur om dit minder skerp te maak en splinters te verwyder.

Dit is nou tyd om gate te boor vir die skroewe en die as wat uit die motor se agterkant bult. As jy die stukke hout bymekaar vasmaak tydens die boor, hoef jy net elke gat een keer te boor.

Om die uitleg vir die skroefgate te skep, gebruik ons 'n stuk papier en plaas dit op die agterkant van die motor en druk 'n potlood in die skroefgate, dwarsdeur die papier. Die stuk papier met die vier skroefgate is daarna op die hout geplaas sodat ons die ligging van die gate wat ons wil boor, kan merk. Gebruik 'n boor van 3, 5 mm om die gate te boor. Gebruik nou 'n potlood en 'n liniaal om die middel van hierdie gate te vind en maak die gat vir die as met 'n boor van 5 mm. Bevestig die motors met M3 -skroewe, maar laat een van die skroewe met groter afstand uit een motor.

Om die motoraansluiting en -draad in die robot te kry, het ons ook 'n gat van 8 mm bo die motor geboor. Maak seker dat daar genoeg ruimte is vir die drade om te buig sonder om dit te veel te beklemtoon.

Dit is belangrik om so akkuraat as moontlik te werk om 'n (byna) perfekte simmetriese buitekant te skep

Stap 5: Pas die komponente aan

Merk 'n vertikale middellyn op die hout sodat u die komponente in die middel kan plaas. U kan alles aan die hout vasmaak met behulp van klittenband. In ons robot het ons klein boute en moere gebruik om die beheerbord vas te maak, maar u kan ook klittenband gebruik (ons het dit nog nie gehad toe ons die kontroleerder vasgemaak het nie). Maak seker dat u 'n USB -kabel kan aansluit nadat u die konstruksie voltooi het.

Ons plaas die kontroleerder in die middel met die USB -poort na onder, sodat ons die kabel tussen die wiele kan aansluit. U kan dit ook na een van die kante wys.

Plaas die battery so hoog as moontlik, sodat die robot baie swaar word. Plaas ook die laaipoort op 'n maklike plek naby die rand.

Bluetooth -chip

Koppel die Bluetooth -chip VCC -pen aan +5V op die beheerder, en die Bluetooth GND aan die GND van die beheerder. Die TXD -pen van die beheerder gaan na die Bluetooth RX en die RXD -pen op die beheerder gaan na die Bluetooth TX -pen. Plak dan die Bluetooth -chip êrens op die houtpaneel met klittenband.

Bewegingsskyfie

Die bewegingsskyfie het twee skroefgate, so ons het die chip met 'n afstandhouer vasgemaak sodat die middel van die skyf oor die middel van die motor val. Die oriëntasie maak nie saak nie, aangesien die robot homself kalibreer tydens die opstart. Gebruik 'n plastiese wasser onder die skroefkop om te voorkom dat die stroombaan kortkom.

Gebruik dan DuPont -drade om die penne aan die kontroleerder te koppel. Elke pen is op die beheerder dieselfde gemerk as op die bewegingsskyfie, dus dit is redelik vanselfsprekend om dit aan te sluit.

Krag skakelaar

Dit is maklik om 'n kragskakelaar aan te sluit. Ons het een van 'n ou toestel geneem en dit van die printplaat afgesoldeer. Om dit as 'n aan / uit-skakelaar vir die robot te gebruik, koppel u die positiewe draad van die battery aan die pen (as dit 'n drie-pen-skakelaar is) aan die kant waarmee u die skakelaar wil aanskakel. Koppel dan die middelste pen aan die positiewe kraginvoer van die beheerder. Ons het DuPont -drade aan die skakelaar gesoldeer, sodat die battery self nie permanent aan die skakelaar gekoppel is nie.

Verbind die kante

Nou weet u die ligging van die komponente en u het die twee kante van die robot. Die laaste stap in die konstruksie van die robot is om die twee kante met mekaar te verbind. Ons gebruik vier stelle van drie stukke hout wat aan mekaar vasgeplak is en skroef dit aan die kante vas sodat ons bewegingsskyfie op die middelas van die robot is. Daar moet gesê word dat die materiaal wat gebruik word, mits dit sterk genoeg is, nie te veel saak maak nie. U kan selfs 'n swaarder verbinding aan die bokant gebruik om die hoogte van die middelpunt nog meer te verhoog. Maar anders as die vertikale posisie van die massamiddelpunt, moet die horisontale posisie van die middelpunt soveel as moontlik bo die wielas op sy plek gehou word, aangesien die kodering van die kode vir die bewegingsskyfie taamlik moeilik sou word as die horisontale middelpunt van massa verplaas.

Nou is u gereed om die kode op te laai en die beheerder af te stem.

Stap 6: Laai die kode op en stem dit af

Om die kode op te laai, benodig u 'n rekenaar met die Arduino IDE. Laai die.ino -lêer hieronder af en maak dit oop met die Arduino IDE. Dit word op dieselfde manier opgelaai as met die kode van die Bluetooth -opstelling.

Om die robot te laat werk, moet u die app 'Joystick bluetooth Commander' van die Play Store aflaai. Skakel die robot se krag aan en plaas dit op die vloer, voor of agter. Begin die app en maak verbinding met die Bluetooth -chip. Datafield 1 gaan van XXX na GEREED sodra die robot homself gekalibreer het (5 sekondes om dit op sy sy te plaas, gevolg deur 10 sekondes kalibrasie). U kan die robot aanskakel deur knoppie 1 in die app te skakel. Plaas die robot nou vertikaal op die grond en laat los sodra u voel hoe die motors aanskakel. Dit is wanneer die robot homself begin balanseer.

Die robot is nou gereed om af te stem, aangesien die stabiliteit daarvan waarskynlik nie goed is nie. U kan probeer of dit werk sonder ekstra afstemming, maar u moet die robot redelik identies aan ons s'n maak sodat dit behoorlik kan werk. In die meeste gevalle moet u die beheerder afstel om die beste met u robot te werk. Dit is redelik maklik, al is dit baie tydrowend. Hier is hoe u dit moet doen:

Stel die beheerder af

Iewers in die kode vind u 4 veranderlikes, wat begin met 'n k. Dit is kp, kd, kc en kv. Begin deur alle waardes op nul te stel. Die eerste waarde wat gestel moet word, is kp. Die standaard kp -waarde is 0,17. Probeer om dit op iets laer soos 0,05 te stel. Skakel die robot af, laai die kode op en kyk hoe dit probeer balanseer. As dit vorentoe val, verhoog die waarde. Die slimste manier om dit te doen is deur te interpoleer:

1. Stel die waarde op iets laag en probeer dit
2. Stel die waarde op iets hoogs en probeer dit
3. Stel die waarde op die gemiddelde van die twee en probeer dit
4. Probeer nou uitvind of dit beter gebalanseer is met die lae of hoë waarde, en die gemiddelde waarde van die huidige waarde en die waarde waarop dit beter gewerk het.
5. Gaan voort totdat u 'n lekker plek kry

Die lieflike plek vir die kp-waarde is wanneer dit aan die rand van onder- en oorvergoeding is. Soms val dit dus vorentoe omdat dit nie by sy valsnelheid kan bly nie, en ander kere sal dit agteruit val omdat dit in 'n ander rigting oorskiet.

Nadat u die kp -waarde gestel het, stel u die kd. Dit kan op dieselfde manier gedoen word as met kp. Verhoog hierdie waarde totdat die robot amper gebalanseer is, sodat hy heen en weer kan swaai totdat hy omval. As u dit te hoog stel, kan u dit reeds redelik netjies balanseer, maar as die balans te veel versteur word, val dit om (soos wanneer u dit druk). Probeer dus om die plek te vind waarop dit nie heeltemal gebalanseerd is nie, maar redelik naby is.

Soos u dalk raai, kan die afstemming van die beheerder verskeie pogings verg, aangesien dit moeiliker word met elke nuwe veranderlike wat ingestel word. Dus, as u dink dat dit nie gaan werk nie, begin weer.

Dit is nou tyd om die kv. Interpoleer dit totdat u 'n waarde vind waarteen die robot ophou swaai, gebalanseerd bly en 'n ligte druk kan hanteer. As dit te hoog gestel word, beïnvloed dit die stabiliteit negatief. Probeer om met kv en kp te speel om 'n punt te vind waarop dit die stabielste is. Dit is die mees tydrowende stap van die tuning.

Die laaste waarde is kc. Hierdie waarde laat die robot terugkeer na sy laaste posisie nadat hy vergoed is vir 'n druk of iets anders. U kan dieselfde interpolasiemetode hier probeer, maar 0.0002 behoort in die meeste gevalle redelik goed te werk.

Dis dit! Jou robot is nou gereed. Gebruik die joystick op u slimfoon om die robot te beheer. Pasop egter, want as u met maksimum spoed vorentoe gaan, kan die robot nog steeds omval. Speel met die kontroleerder veranderlikes om soveel as moontlik hiervoor te vergoed. Die mees logiese stap is om hierna na die kp -waarde te kyk, aangesien dit die huidige hoek van die robot direk vergoed.

Belangrike opmerking oor LiPo -batterye

Dit word aanbeveel dat u gereeld die spanning van u LiPo -battery nagaan. LiPo-batterye moet nie laer as 3 volt per sel met 9 volt op 'n 3S LiPo ontlaai word nie. As die spanning onder 3 volt per sel daal, is daar 'n permanente verlies aan kapasiteit van die battery. As die spanning onder 2,5 volt per sel daal, gooi die battery weg en koop 'n nuwe. Laai 'n LiPo -sel met minder as 2,5 volt is gevaarlik omdat die interne weerstand baie hoog word, wat kan lei tot 'n warm battery en 'n moontlike brandgevaar tydens laai.