🥇Erfahrungen mit dem Bau meines ersten Roboters auf Arduino (Roboter-„Jäger“)

Hallo.

In diesem Artikel möchte ich den Prozess des Zusammenbaus meines ersten Roboters mit Arduino beschreiben. Das Material wird für andere Anfänger von Nutzen sein, die wie ich einen „automatischen Wagen“ herstellen möchten. Der Artikel beschreibt die Schritte der Arbeit mit meinen Ergänzungen zu verschiedenen Nuancen. Ein Link zum endgültigen Code (wahrscheinlich nicht der perfekte) befindet sich am Ende des Artikels.

So oft wie möglich bezog ich meinen Sohn (8 Jahre) in das Projekt ein. Was genau mit ihm gelungen ist und was nicht, habe ich in einem Teil des Artikels festgehalten; vielleicht ist es für jemand anderen hilfreich.

Allgemeine Beschreibung des Roboters

Zunächst einige Worte über den Roboter (die Idee). Etwas Typisches von Anfang an zu bauen, war nicht mein Ziel. Gleichzeitig war das Set an Komponenten ziemlich standardmäßig – Chassis, Motoren, Ultraschallsensor, Linienensor, LEDs, Summer. Zunächst entstand aus diesem „Süppchen“ ein Roboter, der sein Gebiet bewacht. Er fährt auf den Eindringling zu, der die Linie des Kreises überquert hat, und kehrt dann in die Mitte zurück. In dieser Variante war jedoch eine gezeichnete Linie erforderlich, plus zusätzliche Mathematik, um ständig im Kreis zu bleiben.

Nach einigem Überlegen änderte ich die Idee und beschloss, einen Jäger-Roboter zu bauen. Zu Beginn dreht er sich um seine Achse, um ein Ziel in der Nähe (eine Person) zu wählen. Wenn das „Opfer“ entdeckt wird, schaltet der „Jäger“ das Blinklicht und die Sirene ein und fährt darauf zu. Wenn die Person sich entfernt/weggeht, wählt der Roboter ein neues Ziel und verfolgt es weiter, und so weiter. Ein solcher Roboter benötigt keinen begrenzten Kreis und kann auf offenem Gelände arbeiten.

Wie Sie sehen, ähnelt dies sehr dem Spiel „Fangen“. Obwohl der Roboter letztlich nicht besonders flink geworden ist, interagiert er ehrlich mit den Menschen um ihn herum. Besonders Kindern gefällt das (manchmal hat man jedoch den Eindruck, dass sie ihn gleich zertreten werden, da schlägt das Herz schneller…). Ich denke, das ist eine gute Lösung zur Popularisierung des technischen Bauens.

Struktur des Roboters

Also, wir haben uns mit der Idee entschieden, lassen Sie uns zur Zusammenstellungübergehen. Die Liste der Elemente wird aus dem gebildet, was der Roboter können sollte. Das ist alles ziemlich offensichtlich, also schauen wir uns gleich die Nummerierung an:

Der "Gehirn" des Roboters ist eine Arduino Uno-Platine (1); sie war im aus China bestellten Set enthalten. Für unsere Zwecke ist sie völlig ausreichend (wir orientieren uns an der Anzahl der verwendeten Pins). Aus demselben Set haben wir das fertige Chassis (2) genommen, an dem zwei Antradsätze (3) und ein hinteres Rad (frei drehend) (4) befestigt sind. Im Set war auch ein fertiges Batteriefach (5) enthalten. Vorne am Roboter befindet sich ein Ultraschallsensor (HC-SR04) (6), hinten – ein Motorentreiber (L298N) (7), in der Mitte – eine blinkende LED (8), und etwas abseits – ein Lautsprecher (9).

In der Phase der Montage schauen wir:

— dass alles passt
— dass es ausgewogen ist
— dass es sinnvoll platziert ist

Teils haben dies bereits unsere chinesischen Kollegen für uns übernommen. So ist das schwere Batteriefach in die Mitte gesetzt, und ungefähr darunter befinden sich die Antradsätze. Alle anderen Platinen sind leicht und können an der Peripherie platziert werden.

Details:

Im Chassis des Sets gibt es viele werkseitige Löcher, aber wie die angeordnet sind – das habe ich nicht herausgefunden. Die Motoren und der Akkumulatorblock wurden problemlos gesichert, danach begann das "Anpassen" mit dem Bohren neuer Löcher, um die eine oder andere Platine zu befestigen.
Die Messinghalter und andere Befestigungselemente aus dem Vorrat haben uns sehr geholfen (manchmal musste man improvisieren).
Ich habe die Drähte jeder Platine durch Klemmen geführt (die habe ich ebenfalls im Vorrat gefunden). Es ist sehr praktisch, alle Drähte liegen ordentlich und wackeln nicht.

Einzelne Blöcke

Jetzt gehe ich auf die Blöcke ein und erzähle persönlich über jeden.

Batteriefach

Es ist klar, dass der Roboter eine gute Energiequelle benötigt. Die Optionen können unterschiedlich sein, ich habe die Variante mit 4 AA-Batterien gewählt. Insgesamt liefern sie etwa 5 V, und diese Spannung kann direkt auf den 5V-Pin der Arduino-Platine (um den Spannungsregler herum) gegeben werden.

Ein gewisses Misstrauen hatte ich natürlich, aber diese Lösung ist durchaus funktionsfähig.

Da überall eine Stromversorgung benötigt wird, habe ich zur Bequemlichkeit in der Mitte des Roboters zwei Anschlüsse gemacht: einer "verteilt" die Masse (rechts), der andere – 5 V (links).

Motoren und Treiber

Zunächst zur Motorbefestigung. Die Halterung ist werkseitig, aber mit großen Toleranzen gefertigt. Mit anderen Worten, die Motoren können sich um ein paar Millimeter nach links und rechts winden. Für unsere Anwendung ist das nicht kritisch, aber irgendwo könnte es Einfluss haben (der Roboter könnte vom Kurs abkommen). Vorsichtshalber habe ich die Motoren ganz parallel ausgerichtet und mit Kleber fixiert.

Zur Steuerung der Motoren, wie ich bereits erwähnt habe, wird der Treiber L298N verwendet. Laut Dokumentation hat er drei Pins für jeden Motor: einen zur Geschwindigkeitsänderung und ein Paar Pins zur Drehungsrichtung. Hier gibt es einen wichtigen Punkt. Es stellt sich heraus, dass die Geschwindigkeitsregelung einfach nicht funktioniert, wenn die Versorgungsspannung 5 V beträgt! Das bedeutet, entweder dreht sich nichts oder es dreht sich maximal. Das war so eine Eigenheit, wegen der ich ein paar Abende "verloren" habe. Schließlich fand ich irgendwo in einem Forum einen Hinweis darauf.

Generell brauchte ich eine niedrige Drehgeschwindigkeit beim Wenden des Roboters – damit er Zeit hat, den Raum zu scannen. Aber da es mit dieser Idee nicht geklappt hat, musste ich anders vorgehen: kleiner Dreh, Stopp, Dreh, Stopp usw. Wiederum nicht so elegant, aber funktional.

Außerdem füge ich hier hinzu, dass der Roboter nach jeder Verfolgung eine zufällige Richtung für die neue Drehung wählt (im oder gegen den Uhrzeigersinn).

Ultraschallsensor

Ein weiteres Bauteil, bei dem ich nach einer Kompromisslösung suchen musste. Der Ultraschallsensor liefert bei realen Hindernissen instabile Werte. Das war eigentlich zu erwarten. Er funktioniert perfekt bei Wettbewerben, wo es glatte, ebenmäßige und rechtwinklige Flächen gibt, aber wenn vor ihm "herumwackeln" die Beine von jemandem – hier braucht man zusätzliche Verarbeitung.

Als solche Verarbeitung habe ich eingesetzt einen Medianfilter für drei Messungen. Basierend auf Tests mit echten Kindern (während der Tests hat kein Kind Schaden genommen!) war das vollkommen ausreichend zur Normalisierung der Daten. Die Physik ist hier einfach: Wir haben Signale, die von den benötigten Objekten (die den geforderten Abstand geben) und von weiter entfernten, zum Beispiel Wänden, reflektiert werden. Letztere stellen zufällige Ausreißer in den Messungen dar, wie 45, 46, 230, 46, 46, 45, 45, 310, 46… Genau diese schneidet der Medianfilter heraus.

Nach der gesamten Verarbeitung erhalten wir den Abstand zum nächsten Objekt. Ist er kleiner als ein gewisser Schwellenwert, aktivieren wir das Alarmsystem und fahren direkt zum "Verstörer".

Blinklicht und Sirene

Vielleicht die einfachsten Elemente aus allem, was aufgeführt wurde. Sie sind auf den obigen Fotos zu sehen. Über die Hardware gibt es hier nicht viel zu sagen, also kommen wir jetzt zu dem Code.

Steuerprogramm

Es macht keinen Sinn, den Code im Detail zu erläutern, die, die es brauchen, finden den Link am Ende des Artikels, dort ist alles recht verständlich. Aber es wäre gut, die allgemeine Struktur zu erklären.

Das erste, was ich verstehen musste: Ein Roboter ist ein Echtzeitsystem. Genauer gesagt, ich musste mich daran erinnern, denn ich mache schon immer Elektronik. Somit vergessen wir sofort den Aufruf delay(), den viele gerne in Beispielen verwenden und der das Programm für einen bestimmten Zeitraum einfach "einfriert". Stattdessen, wie erfahrene Leute raten, verwenden wir Timer für jedes Modul. Ist der erforderliche Zeitraum um, führen wir die Aktion aus (Helligkeit der LEDs erhöht, Motor aktiviert usw.).

Die Timer können miteinander verknüpft sein. So arbeitet beispielsweise die Hupe synchron mit dem Blinklicht. Das vereinfacht das Programm etwas.

Natürlich teilen wir alles in separate Funktionen auf (Blinklicht, Ton, Drehung, Vorwärtsbewegung usw.). Wenn man das nicht macht, kann man später nicht mehr herausfinden, was woher kommt und wohin geht.

Nuancen der Pädagogik

Alles, was oben beschrieben wurde, habe ich in meiner Freizeit abends gemacht. In einem entspannten Tempo habe ich etwa drei Wochen am Roboter gearbeitet. An dieser Stelle könnte ich aufhören, aber ich habe Ihnen auch versprochen, über die Arbeit mit dem Kind zu erzählen. Was ist in diesem Alter machbar?

Arbeiten nach Anleitung

Jedes Teil haben wir zuerst einzeln getestet — LEDs, Hupe, Motoren, Sensoren usw. Es gibt viele fertige Beispiele — einige direkt in der Entwicklungsumgebung, andere findet man im Internet. Das ist zweifellos erfreulich. Wir nehmen den Code, schließen das Teil an, überprüfen, dass es funktioniert, und beginnen dann, es für unsere Aufgabe anzupassen. Die Verdrahtung nach dem Schema und unter meiner gewissen Kontrolle macht das Kind selbst. Das ist gut. Man muss auch in der Lage sein, genau nach Anleitung zu arbeiten.

Arbeitsablauf ("vom Speziellen zum Allgemeinen")

Das ist ein komplizierter Punkt. Man muss sich daran gewöhnen, dass ein großes Projekt ("einen Roboter bauen") aus kleinen Aufgaben ("einen Sensor anschließen", "Motoren anschließen" ...) besteht, die wiederum aus noch kleineren Schritten ("ein Programm finden", "eine Platine anschließen", "die Firmware hochladen" ...) bestehen. Indem wir mehr oder weniger verständliche Aufgaben auf der unteren Ebene erledigen, "schließen" wir die Aufgaben auf der mittleren Ebene ab, und daraus ergibt sich das Gesamtergebnis. Ich habe es erklärt, aber ich denke, dass das Verständnis noch nicht bald kommen wird. Vielleicht irgendwo im Teenageralter.

Montage

Bohren, Gewinde, Schrauben, Muttern, Löten und der Geruch von Kolophonium – wo käme man ohne so etwas hin? Das Kind hat die Grundfertigkeit "Arbeiten mit dem Lötkolben" erlernt – es ist gelungen, einige Verbindungen zu löten (ich habe ein wenig geholfen, das verschweige ich nicht). Vergessen Sie nicht, die Sicherheitstechnik zu erklären.

Arbeiten am Computer

Das Programm für den Roboter habe ich geschrieben, aber es sind dennoch einige Nebenergebnisse erzielt worden.

Erstens: Englisch. In der Schule haben sie gerade erst begonnen, also haben wir "mühevoll" geklärt, was pishalka, migalka, yarkost und andere Transliterationen sind. Wenigstens haben wir das verstanden. Ich habe bewusst keine englischen Wörter verwendet, da wir das Niveau noch nicht erreicht haben.

Zweitens: effektives Arbeiten. Wir haben heiße Tastenkombinationen gelernt, um typische Vorgänge schnell auszuführen. Gelegentlich, wenn wir das Programm schrieben, haben wir die Plätze gewechselt, und ich habe gesagt, was zu tun ist (Ersetzungen, Suchen usw.). Ich musste immer wieder wiederholen: "Markiere mit Doppelklick", "halte die Umschalttaste gedrückt", "halte die Strg-Taste gedrückt" usw. Der Lernprozess geht hier nicht schnell voran, aber ich denke, die Fähigkeiten werden allmählich ins Unterbewusstsein aufgenommen.

Versteckter TextSie könnten sagen, dass das oben Beschriebene fast offensichtlich ist. Aber ehrlich, diesen Herbst hatte ich die Gelegenheit, Informatik in der 9. Klasse an einer Schule zu unterrichten. Das ist schrecklich. Die Schüler wissen nicht einmal solche grundlegenden Dinge wie Ctrl + Z, Ctrl + C und Ctrl + V, das Markieren von Text mit gedrückter Umschalttaste oder das Doppelklicken auf ein Wort usw. Und das, obwohl sie im dritten Jahr Informatikunterricht hatten... Machen Sie sich Ihr eigenes Urteil.

Drittens: schnelles Schreiben. Die Kommentare im Code habe ich dem Kind anvertraut (soll es üben). Wir haben gleich die Hände richtig positioniert, damit sich die Finger allmählich an die Tastenanordnung gewöhnen.

Wie Sie sehen, fängt bei uns alles erst ganz auf an. Fähigkeiten und Wissen werden wir weiter verfeinern; sie werden im Leben nützlich sein.

Übrigens, zur Perspektive…

Weiterentwicklung

Der Roboter ist fertig, fährt, blitzt und piepst. Was kommt jetzt? Begeistert von dem Erreichten planen wir, ihn weiterzuentwickeln. Es gibt die Idee, eine Fernbedienung zu realisieren – ähnlich wie bei einem Mondfahrzeug. Es wäre interessant, von einem hypothetischen Controller aus die Bewegung eines Roboters zu steuern, der an einem ganz anderen Ort fährt. Aber das wird eine separate Geschichte sein…

Und schließlich die Protagonisten dieses Artikels (Video bei Klick):