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

Hallo.

In diesem Artikel möchte ich den Prozess der Konstruktion meines ersten Roboters mit Arduino beschreiben. Das Material wird auch für andere Anfänger wie mich nützlich sein, die eine Art "selbstfahrenden Wagen" bauen möchten. Der Artikel bietet eine Beschreibung der Arbeitsschritte mit meinen Ergänzungen zu verschiedenen Details. Ein Link zum endgültigen Code (wahrscheinlich nicht der perfekte) ist am Ende des Artikels zu finden.

Soweit es möglich war, habe ich meinen Sohn (8 Jahre alt) in das Projekt einbezogen. Was genau mit ihm funktionierte und was nicht, habe ich in einem Abschnitt des Artikels festgehalten. Vielleicht wird es für jemand anderen von Nutzen sein.

Allgemeine Beschreibung des Roboters

Zunächst ein paar Worte über den Roboter (die Idee). Es reizte mich nicht besonders, etwas Typisches zu Beginn zu bauen. Gleichzeitig war das Set an Komponenten ziemlich standardisiert – Chassis, Motoren, Ultraschallsensor, Linien-sensor, LEDs, Summer. Aus diesem "Suppen-Mix" wurde zunächst ein Roboter erfunden, der sein Territorium bewacht. Er fährt zu einem Eindringling, der die Linie des Kreises überschreitet, und kehrt dann ins Zentrum zurück. In dieser Variante war jedoch eine gezeichnete Linie nötig, plus etwas zusätzliche Mathematik, um ständig im Kreis zu bleiben.

Nach reiflicher Überlegung habe ich die Idee etwas angepasst und beschlossen, einen "Jäger-Roboter" zu entwickeln. Zu Beginn dreht er sich um seine Achse und sucht in der Nähe nach einem Ziel (einer Person). Wenn die „Beute“ entdeckt wird, aktiviert der „Jäger“ seinBlinklicht und die Sirene und macht sich auf den Weg dorthin. Wenn die Person sich entfernt, wählt der Roboter ein neues Ziel und verfolgt es weiter. Dieser Roboter benötigt keinen festen Bereich und kann auf offenem Gelände arbeiten.

Wie Sie sehen, erinnert das in vielerlei Hinsicht an das Spiel „Fangen“. Auch wenn der Roboter letztlich nicht besonders flink geworden ist, interagiert er ehrlich mit den Menschen um ihn herum. Besonders Kinder finden das faszinierend (manchmal scheint es, als würden sie ihn gleich zertrampeln, das lässt einem das Herz stocken…). Ich denke, das ist eine gute Lösung, um technisches Konstruieren populär zu machen.

Struktur des Roboters

Nachdem wir uns also auf die Idee geeinigt haben, kommen wir zu der Zusammenstellung. Die Liste der Elemente wird aus dem erstellt, was der Roboter können muss. Hier ist alles ganz klar, also schauen wir sofort auf die Nummerierung:

Der "Gehirn" des Roboters ist das Arduino Uno Board (1), das in dem aus China bestellten Set enthalten war. Für unsere Zwecke reicht es völlig aus (wir orientieren uns an der Anzahl der verwendeten Pins). Aus demselben Set haben wir das fertige Chassis (2) entnommen, an dem zwei Haupträder (3) und ein freilaufendes Hinterrad (4) befestigt sind. Im Set war auch ein fertiges Batteriefach (5) enthalten. An der Vorderseite des Roboters befindet sich ein Ultraschallsensor (HC-SR04) (6), hinten der Motorcontroller (L298N) (7), in der Mitte eine blinkende LED (8) und etwas abseits ein Summer (9).

In der Montagephase achten wir auf:

— dass alles reinpasst
— dass es ausgewogen ist
— dass es sinnvoll angeordnet ist

Teilweise wurde dies bereits von unseren chinesischen Kollegen übernommen. So ist das schwere Batteriefach in der Mitte platziert, und die Haupträder stehen ungefähr darunter. Alle anderen Boards sind leicht und können am Rand platziert werden.

Details:

Im Chassis des Sets gibt es viele werkseitige Öffnungen, aber ich konnte die Logik dahinter nicht erkennen. Die Motoren und der Akkublock wurden problemlos befestigt, danach begann das „Anpassen“ mit dem Bohren neuer Löcher, um das jeweilige Board zu befestigen.
Die Messingstützen und andere Befestigungen aus dem Vorrat haben mir sehr geholfen (manchmal musste ich improvisieren).
Ich habe die Drähte jeder Platte durch Klemmen geführt (die fand ich ebenfalls im Vorrat). Das ist sehr praktisch, alle Kabel liegen ordentlich und wackeln nicht.

Einzelne Blöcke

Jetzt werde ich die Blöcke durchgehen und jeweils im Detail erklären.

Batteriefach

Es ist klar, dass der Roboter eine zuverlässige Energiequelle benötigt. Die Optionen können unterschiedlich sein, ich habe mich für die Variante mit 4 AA-Batterien entschieden. Insgesamt liefern sie etwa 5 V, und diese Spannung kann direkt an den Pin 5V der Arduino-Platine angeschlossen werden (ohne den Spannungsregler).

Ein gewisses Zögern hatte ich natürlich, aber diese Lösung funktioniert einwandfrei.

Da die Stromversorgung überall benötigt wird, habe ich zur Vereinfachung in der Mitte des Roboters zwei Anschlüsse geschaffen: einer gibt die Masse (rechts) ab, der andere — 5 V (links).

Motoren und Treiber

Zuerst zur Motorbefestigung. Die Befestigung ist werkseitig, jedoch mit großen Toleranzen gefertigt. Mit anderen Worten, die Motoren können sich um ein paar Millimeter nach links und rechts „bewegen“. Für unser Vorhaben ist das nicht kritisch, könnte aber woanders Einfluss haben (die Robotersteuerung könnte abdriften). Vorsichtshalber habe ich die Motoren genau parallel ausgerichtet und mit Kleber fixiert.

Zur Steuerung der Motoren, wie oben beschrieben, kommt der L298N-Treiber zum Einsatz. Laut Dokumentation hat er drei Pins für jeden Motor: einen zur Geschwindigkeitsänderung und zwei für die Drehrichtung. Hier gibt es einen wichtigen Punkt. Es stellte sich heraus, dass die Geschwindigkeitsregelung bei einer Versorgungsspannung von 5 V einfach nicht funktioniert! Das bedeutet, dass der Motor entweder gar nicht dreht oder maximal dreht. Solch eine Eigenheit, wegen der ich ein paar Abende „verloren“ habe. Schließlich fand ich eine Erwähnung dazu in einem Forum.

Im Grunde genommen benötigte ich eine niedrige Drehgeschwindigkeit, um den Roboter zu wenden – damit er genug Zeit hat, den Raum zu scannen. Da dies jedoch nicht funktioniert hat, musste ich es anders handhaben: kleiner Dreh – Stopp – Dreh – Stopp und so weiter. Wieder einmal nicht besonders elegant, aber funktional.

Ich füge hier noch hinzu, dass der Roboter nach jeder Verfolgung eine zufällige Richtung für die nächste Wendung wählt (im oder gegen den Uhrzeigersinn).

Ultraschallsensor

Eine weitere Komponente, bei der ich nach einer Kompromisslösung suchen musste. Der Ultraschallsensor liefert an echten Hindernissen instabile Zahlen. Tatsächlich war das zu erwarten. Idealerweise funktioniert er bei Wettbewerben, wo es glatte, ebene und rechtwinklige Oberflächen gibt, aber wenn vor ihm jemandes Beine 'flackern', muss eine zusätzliche Verarbeitung eingeführt werden.

Als solche Verarbeitung habe ich einen Medianfilter installiert für drei Messungen. Basierend auf Tests an echten Kindern (während der Tests wurde kein Kind verletzt!) war es mehr als ausreichend zur Normalisierung der Daten. Die Physik hier ist einfach: Wir haben Signale, die von den benötigten Objekten reflektiert werden (die den gewünschten Abstand geben) und von weiter entfernten, beispielsweise Wänden. Letztere stellen zufällige Ausreißer in den Messungen dar, wie 45, 46, 230, 46, 46, 45, 45, 310, 46… Genau diese werden durch den Medianfilter herausgefiltert.

Nach aller Verarbeitung erhalten wir den Abstand zum nächsten Objekt. Wenn dieser kleiner ist als ein bestimmter Schwellenwert, aktivieren wir das Alarmsignal und fahren direkt zum "Verursacher".

Blinklicht und Sirene

Zweifellos die einfachsten Elemente aus allem, was aufgezählt wurde. Sie sind auf den obigen Fotos zu sehen. Über die Hardware gibt es hier nichts zu sagen, also kommen wir nun zum Code.

Steuerprogramm

Eine detaillierte Beschreibung des Codes halte ich für nicht notwendig; wer interessiert ist, findet den Link am Ende des Artikels, dort ist alles recht gut lesbar. Eine allgemeine Struktur zu erklären, wäre jedoch sinnvoll.

Das Erste, was ich überdenken musste: Ein Roboter ist ein Echtzeitsystem. Genau genommen musste ich mich erinnern, denn ich beschäftige mich schon immer mit Elektronik. Das heißt, wir vergessen sofort den Aufruf delay(), der in Beispiel-Sketches oft verwendet wird und einfach das Programm für einen bestimmten Zeitraum „einfriert“. Stattdessen, wie erfahrene Leute raten, verwenden wir Timer für jeden Block. Nach dem erforderlichen Zeitraum führen wir die Aktion aus (erhöhen die Helligkeit der LED, schalten den Motor ein, und so weiter).

Timer können miteinander verbunden sein. So arbeitet zum Beispiel der Piezo-Lautsprecher synchron mit der LED. Das vereinfacht das Programm etwas.

Natürlich teilen wir alles in separate Funktionen auf (Blinklicht, Ton, Drehung, Vorwärtsbewegung usw.). Wenn wir das nicht tun, ist es später schwer nachzuvollziehen, was woher kommt und wohin es geht.

Nuancen der Pädagogik

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

Arbeiten nach Anleitung

Jedes Teil haben wir zunächst einzeln geprüft – die LEDs, den Summer, die Motoren, die 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, vergewissern uns, dass es funktioniert, und beginnen dann schon, es an unsere Aufgabe anzupassen. Die Anschlüsse nach Schema und unter meiner Kontrolle macht das Kind selbst. Das ist gut. Man muss auch lernen, genau nach Anleitung zu arbeiten.

Arbeitsablauf („vom Einzelnen zum Allgemeinen“)

Das ist ein komplizierter Punkt. Man muss lernen, dass ein großes Projekt („einen Roboter bauen“) aus kleinen Aufgaben („einen Sensor anschließen“, „Motoren anschließen“…) besteht, die wiederum aus noch kleineren Schritten bestehen („ein Programm finden“, „eine Platine anschließen“, „die Firmware hochladen“…). Durch das Erledigen mehr oder weniger verständlicher Aufgaben auf niedrigerer Ebene schließen wir die Mittelstufenaufgaben ab und aus diesen ergibt sich das Gesamtergebnis. Ich habe es erklärt, aber ich denke, das Verständnis wird noch nicht bald kommen. Vielleicht so etwa im Teenageralter.

Montage

Bohren, Gewinde, Schrauben, Unterlegscheiben, Löten und der Geruch von Kolophonium – das gehört einfach dazu. Mein Kind hat die grundlegende Fähigkeit "Arbeiten mit dem Lötkolben" erlernt und es ist gelungen, einige Verbindungen zu löten (ich habe ein wenig geholfen, das will ich nicht leugnen). Vergessen Sie nicht, die Sicherheitsvorkehrungen zu erklären.

Arbeiten am Computer

Das Programm für den Roboter habe ich selbst geschrieben, aber es konnten dennoch einige nützliche Ergebnisse erzielt werden.

Erstens: Englisch. In der Schule haben wir gerade erst damit angefangen, weshalb wir uns schwer taten, Begriffe wie pishalka, migalka, yarkost und andere Transliterationen zu verstehen. Zumindest haben wir das begriffen. Ich habe bewusst keine eigenen englischen Begriffe verwendet, da wir dieses Niveau noch nicht erreicht haben.

Zweitens: effektives Arbeiten. Wir haben die wichtigen Tastenkombinationen gelernt, um gängige Operationen schnell auszuführen. Gelegentlich haben mein Sohn und ich beim Programmieren die Plätze gewechselt, und ich erklärte, was zu tun ist (Ersetzen, Suchen usw.). Ich musste immer wieder sagen: "Doppelklick, um auszuwählen", "Shift gedrückt halten", "Ctrl gedrückt halten" und so weiter. Der Lernprozess ist hier nicht schnell, aber ich denke, die Fähigkeiten werden allmählich "im Unterbewusstsein" verankert.

Versteckter TextVielleicht kann man sagen, dass das oben Beschriebene fast offensichtlich ist. Aber ehrlich gesagt, in diesem Herbst war ich Lehrer für Informatik in der 9. Klasse an einer Schule. Es ist schrecklich. Die Schüler wissen nicht einmal so grundlegende Dinge wie Ctrl + Z, Ctrl + C und Ctrl + V, wie man Text mit gedrückter Shift-Taste markiert oder mit einem Doppelklick auf ein Wort auswählt. Dabei sind sie im dritten Jahr im Informatikunterricht… Machen Sie sich selbst ein Bild.

Drittens: Blindschreiben. Ich habe einem Kind anvertraut, die Kommentare im Code zu tippen (lass es üben). Wir haben sofort die Hände richtig positioniert, damit die Finger allmählich die Tastenanordnung lernen.

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

Übrigens, zur Perspektive…

Weitere Entwicklungen

Der Roboter ist fertig, fährt, blinkt und piept. Und jetzt? Inspiriert von dem Erreichten planen wir, ihn weiter zu verbessern. Es gibt die Idee, eine Fernsteuerung zu entwickeln — ähnlich wie bei einem Mondfahrzeug. Es wäre interessant, von einem hypothetischen Controller aus die Bewegung des Roboters zu steuern, der sich an einem ganz anderen Ort befindet. Aber das wird eine eigene Geschichte sein…

Und schließlich, die Helden dieses Artikels (Video beim Klicken):