Балансирующий робот ардуино своими руками

Робот балансир на ардуино

Октябрь 14, 2017

Нам понадобится:

Для изготовления корпуса для балансира я взял картон. Картон был довольно тонкий и я склеивал несколько листов, для увеличения прочности конструкции.

Размер боковин балансира указан на фото:

Таких деталей должно быть две, но с учетом того что картон тонкий, я их сделал 4 и склеил между собой термопистолетом.

С вертикальными частями разобрались, теперь нужно сделать 3 горизонтальных. Я их склеивал тоже между собой, поэтому сделал вот таких частей 6 шт.:

После склейки должна получиться лесенка. Все детали я склеивал между собой термоклеем, картон он очень хорошо склеивает.

Моторредукторы я крепил на стяжки к боковинам получившейся “лесенки”

Драйвер двигателей, я разместил на самую нижнюю полку получившейся конструкции.

При подключении самих моторов к драйверу, важно подобрать правильную полярность, чтоб моторы крутились именно в ту сторону, в которую нужно чтоб они крутились для удерживания ровновесия.

Наши “мозги” Ардуино и гироском Mpu 6050 я установил на среднюю полку, чтоб было не сложно дотянуться и до драйвера двигателей и до аккумуляторов.

ВАЖНО: Гироскоп нужно расположить ровно в плоскости, иначе роботу будет тяжело держать равновесие.

Ну и сами аккумуляторы прикрепил на стяжки в самом верху конструкции.

После размещения всех элементов и подключения их друг с другом проводами, Робот выглядит вот таким вот образом.

После того как мы разобрались с конструкцией робота, давайте перейдем к электронной части, а именно к схеме подключения элементов.

Ну и собственно сам скетч:

Для корректной работы скетча нам еще понадобятся две библиотеки kalman и PID_v1

Ну и собственно демонстрация работы:

Источник

Собираем балансирующего робота на шаговых моторах

Основная идея: собрать робота, который сможет держать равновесие на двух колесах. Под сборкой подразумевается конструирование и программа балансировки.

Программные листинги

Проблемой балансировки я занялся сравнительно давно, а если точно около двух лет назад. Стумулом к этому послужило написание книги «Мобильные роботы на базе arduino». Мне хотелось разобраться с балансировкой и я включил подобную главу в план книги, не имея никакого представления о том, как я буду конструировать. В дальнейшем именно данная глава, а точнее эксперименты с роботом, отняли множество моих сил, но робот был создан, он стоял на двух колесах и не падал, балансируя.

Но мне хотелось большего, что-бы он свободно ездил и при этом делал это плавно и грациозно. Я проводил вечера пробуя различные механики на роботе с коллекторными редукторными моторами. Кое-что получалось, но не было идеала, не было стабильности. Впрочем что говорить, посмотрите ролики про этих роботов начиная со сборки:

Начинаю использовать шаговики

Идея конструирования колесных роботов на шаговых моторах не новая, но для меня все было в первый раз.

Я посоветовался с теми, кто уже пробовал делать подобных роботов, но брать чужие механики за основу не стал. Меня заводила именно идея конструирования и моделирования ПО для робота самотсоятельно.

Надеясь сэкономить на шаговых моторах я приобрел пару довольно хороших но маломощных моторов, их я использовал в статье ранее. Смоделил и распечатал пару колес, и смоделировал и вырезал из фанеры корпус:

Первоначальные схемы робота я привожу:

В дальнейшем моторы были заменены на более мощные NEMA 17 (17hs4401) с номинальным током 1.7А и резистивным сопротивлением обмоток 1.8Ом . У старых двигателей номинальный ток был неизвестен, а вот сопротивление обмоток было около 26 Ом, что непозволяло мотору развивать достаточную мощность.

Собственно чего стесняться, приведу ролик про сборку данного робота:

Комплектующие для балансирующего робота

№ пункта Название Количество 1 Корпус (я смоделировал его и выфрезеровал из 3мм фанеры), но можно сделать из пластиковых линеек 1 2 бокс аккумуляторный (стандартный подпружиненый, по 2шт аккумулятора в бокс) 2 3 аккумумляторы 18650 литиевый 3.7В (соединены последовательно), желательно высокого качества 4 4 драйвер шаговых моторов DRV8825, потребуется установить радиатор, я установил его с обратной стороны на плату (на рассеивающую метализацию) 2 5 выключатель (должен держать импульсные токи до 4 ампер) 1 6 гироcкоп-акселерометр MPU-6050 (берегитесь подделки) 1 7 стабилизатор напряжения 5В (7805), (питание BT-приемопередатчика), данный стабилизатор позволил оставлять HC-05 без напряжения, при подключении робота к компьютеру по USB. 1 8 конденсаторы электролиты 16в 200мкф (требуются на вход и выход стабилизатора 7805 5в) 2 9 конденсаторы электролиты 25в 2000мкф (на входы питания шаговых драйверов — по инструкции подключения) 2 10 конденсаторы керамика 104 100нф (везде где только можно) на питание гироскопа, arduino, HC-05 (убираем высокачастотные помехи) 2 11 провода силовые и сигнальные (толстые и тонкие) по потребности 12 Bluetooth-приемопередатчик HC-05/HC-06 (через него рулим роботом) 1 13 шаговые моторы NEMA 17 (17hs4401) 2 14 Колеса капролоновые 77мм диаметр (самофрезерованные) 2 15 Arduino NANO (не лучший вариант — лучше Mega или ESP8266), но что было под рукой 1 16 Диод на цепь питания Arduino NANO. Подцепил их последовательно для снижения питания от 4 последовательно соединенных 18650 (напряжение может достигать 18в), а каждый диод гасит немного на себе. Кроме того при программирование напряжение не наводится на силовые цепи робота 4

Математические выкладки

Длина шага моего робота при настройке делителя шага на 4:

, где r – радиус колеса

Расстояние, которое должен преодолеть робот, чтобы компенсировать свой наклон:

,

где – собственно расстояние,
– расстояние от пола до центра масс робота, — угол наклона робота,
или приближенно:

,

где – угол наклона робота в радианах (при углах до ).

Перевести расстояние в шаги робота можно, используя следующий расчет:

,

— требуемое количество шагов робота.

Данное количество шагов мы будем втискивать в рамки некоторого времени, а это уже не что иное, как скорость! И дополнительно приложим к нему коэффициент – получили пропорциональное звено.

Но если робот уже двигается, то его наклон произошел в рамках его собственной относительной системы координат и к рассчитанной скорости нужно прибавить ту скорость, с которой он уже двигается:

.

В старых роботах я это не учитывал.

Теперь займемся дифференциальным звеном. Робот может не только двигаться (ехать) по некоторой поверхности, но и иметь определенную (измеренную гироскопом) угловую скорость, иначе скорость падения, она также подлежит учету с некоторым коэффициентом, который, скорее всего, придется подбирать экспериментально:

,

где — скорость изменения угла падения робота, — коэффициент влияния скорости падения робота на результат (скорость шагового привода).

Теперь зададим себе вопрос, а что если ось равновесия робота немного отклонена? И расчетное значение нуля по показаниям гироскопа с акселерометром (комплементарного фильтра) не будут совпадать с реальным значением сбалансированного положения робота.

У меня это несовпадение было около 3-х градусов.

Конечно, эту величину можно найти, добившись состояния робота, когда он стоит на месте и не катиться в одну из сторон, но можно попробовать впихнуть в робота возможность самостоятельного нахождения этого смещения.

Этим займется Интегральное звено.

, где – значение интеграла, – коэффициент влияния интегрального звена (как правило, он меньше 1.0).

И итоговая формула выглядит так:

,

А если на чистоту, то у меня получилось так:

,где – немного больше 1.0

Теперь перейду к программе, я попытался максимально сэкономить на расчетах,

Запрос состояния MPU -5060 занимает не менее 1.4 миллисекунды, мои расчеты около 0.6 миллисекунд в старой программе.

Но теперь придется управлять шаговыми моторами, а значит работать с прерываниями.

Я программировал на Arduino NANO ( ATmega 328), у данного контроллера только один 16 разрядный таймер, а управлять нужно отдельно шагами двух моторов!

Вот что получилось, я использовал библиотеку Timer 1, хотя и не очень обоснованно:

Запрос к гироскопу акселерометру проходит каждые 5 милисекунд (200 раз в секунду), если реже, то накапливается погрешность, теряется точность

А вот корректировка скорости робота осуществляется всего 10 раз в секунду.

Много ресурсов забирает прерывание, которое срабатывает каждые 12 микросекунд и запускает перерасчет шагов обоих моторов. Если использовать контроллер, который имеет 2а 16ти-разрядных таймера, этой проблемы можно избежать (например, ArduinoMega ). Более того, становиться возможным использование микрошага 8 и 16, что повышает точность отработки робота.

Также много ресурсов потребляла эмуляция последовательного порта библиотекой SoftwareSerial , от нее пришлось отказаться, а управление роботом осуществляется по D 0- D 1 аппаратному порту, который не расходует ресурсы основного логического ядра контроллера — реализован аппаратно.

Чтобы BT -адаптер не мешал при прошивке робота, он запитывается отдельно.

Перед включением, робота следует положить и не трогать, он подсчитает смещение нуля гироскопа, а когда замигает 13 светодиод ( D 13) (через 3 сек.) поднять его в положение балансировки.

Собственно пока все, программу прилагаю, схема робота в предыдущем ролике.

Забыл рассказать, за счет чего робот двигается:

,где — заданная скорость робота.

А повороты осуществляются смещением скоростей колес в разную сторону на константу.

Источник