🥇Minu esimese roboti loomise kogemus Arduinoga (robot-«jahtija»)

Tere.

Selles artiklis tahan ma kirjeldada oma esimese Arduino roboti kokkupanemise protsessi. Materjal on kasulik teistele algajatele nagu mina, kes soovivad valmistada mõne „ise liikuv kaubiku“. Artikkel keskendub etapiviisile minuga koos ja erinevate nüansside kirjeldamisele. Kood, mille tulemused (tõenäoliselt mitte kõige ideaalsem) on antud artikli lõpus.

Võimaluse korral kaasasin oma poja (8 aastat). Mida täpselt temaga välja tuli, ja mida mitte — sellele pühendasin osa artiklist, võib-olla on see kellegi jaoks kasulik.

Roboti üldine kirjeldus

Alustuseks paar sõna roboti kohta (idee). Esialgu ei olnud mul suurt tahtmist koguda midagi tavalist. Samas oli komponentide komplekt üsna standardne — šassiid, mootorid, ultraheliandur, jooneandur, LED-lambid, kõlar. Esmalt mõtlesin välja roboti, mis kaitseb oma territooriumi. Ta sõidab ebaseadusliku isiku suunas, kes on ületanud ringi joone, ja siis naaseb keskele. Kuid selles variandis oli vajalik joon, pluss lisamatemaatika, et pidevalt ringis püsida.

Seetõttu pärast mõningaid kaalutlemisi muutsin ma ideed veidi ja otsustasin teha roboti-„jahtija“. Alguses pöördub ta ümber oma telje, valides lähima sihtmärgi (inimese). Kui „ohver“ on avastatud, lülitab „jahtija“ sisse vilkuva valguse ja sireeni ning hakkab tema poole liikuma. Kui inimene läheb eemale või jookseb ära, valib robot uue sihtmärgi ja jälitab seda, ja nii edasi. Sellisele robotile ei ole piiratud ring vajalik ning ta suudab töötada avatud alal.

Nagu näha, meenutab see suuresti mängu „kargamine“. Kuigi robot ei osutunud piisavalt ketramiseks, suhtleb ta ausalt teda ümbritsevate inimestega. Erakordselt meeldib see lastele (mõnikord tundub, et nad on kohe-kohe valmis selle sisse trampima, süda läheb hüppama…). Arvan, et see on hea lahendus tehnilise konstrueerimise populariseerimiseks.

Roboti struktuur

Nii et oleme idee paika pannud, liigume edasi komponeerimise. Elementide loetelu koostatakse sellest, mida robot peab oskama. Siin on kõik üsna ilmne, seega vaatame kohe nummerdamist:

Roboti "aju" - arduino uno plaat (1); see oli tellitud komplektis Hiinast. Meie vajaduste jaoks on see täiesti piisav (toetume kasutatavate pinnade arvule). Samast komplektist võtsime valmis šassi (2), millele on kinnitatud kaks esitavat ratast (3) ja üks taga (vabalt pööratav) (4). Samuti oli komplektis valmis akuhoidik (5). Roboti ees asub ultraheliandur (HC-SR04) (6), taga - mootori juhtimisüksus (L298N) (7), keskel - vilkuv LED (8) ja veidi kõrvale - kõlar (9).

Kokkuvõtte koostamise etapis vaatame:

— et kõik mahuks
— et see oleks tasakaalus
— et kõik oleks ratsionaalselt paigutatud

Osaliselt on selle meie eest teinud Hiina kolleegid. Seega on raske akuhoidik paigutatud keskele ja ligikaudu tema all asuvad esitavad rattad. Kõik ülejäänud plaadid on kerged, seega saab neid paigutada perifeeriasse.

Detailid:

Komplekti šassiis on palju tehaseavasid, kuid milline on nende loogika - ma pole seda siiani mõistnud. Mootorid ja akupakk kinnitusid probleemideta, edasi algas "kohandamise" etapp uute avade puurimisega, et kinnitada erinevad plaadid.
Messingist toestikud ja muu kinnitus, mis mul varudes oli, aitasid mind väga (mõnikord pidin välja tulema).
Iga plaadi kaablid viisin läbi klambrite (leidsin samuti varudest). See on väga mugav, kõik kaablid on kenasti paigutatud ja ei poga.

Erilised moodulid

Nüüd tutvustan mooduleid ja räägin igaühe kohta.

Akuhoidik

On selge, et robot peab olema hea energiaallikas. Variant võib olla erinev, valisin 4 AA aku variandi. Kokku annavad nad ligikaudu 5 V, ja seda pinget saab otse toita arduino plaadi 5V pinnale (stabilisaatorit vahele jätmata).

Mõningane ettevaatus muidugi oli, kuid see lahendus on täiesti töökindel.

Kuna toide on vajalik igal pool, tegin mugavuse huvides robotile keskuses kaks pistikut: üks "jagab" maapinda (paremal), teine - 5 V (vasakul).

Mootorid ja juhtimisseade

Esiteks mootorite kinnitamisest. Kinnitamine on tehase, kuid tehtud suurte taluvustega. Teisisõnu, mootorid saavad liikuda paar millimeetrit vasakule-poole. Meie ülesande jaoks pole see kriitiline, kuid kuskil võib see mõjutada (robot hakkab kalduma). Igaks juhuks keerasin mootorid rangelt paralleelselt ja kinnitasin liimiga.

Mootorite juhtimiseks, nagu ma varem mainisin, kasutatakse L298N draiverit. Dokumentatsiooni kohaselt on igal mootoril kolm pinni: üks kiirusreguleerimiseks ja kaks pöörlemissuuna jaoks. Siin on üks oluline moment. Selgus, et kui toitepinge on 5 V, siis kiirusreguleerimine lihtsalt ei tööta! See tähendab, et kas ei pöördu üldse või pöörleb maksimumi peal. Selline omadus, mille tõttu ma „tapnud“ paar õhtut. Lõpuks leidsin mainimise kuskil ühel foorumil.

Üldiselt vajasin madalat pöörlemiskiirust roboti pööramiseks — et tal oleks aega ruumi skaneerida. Kuid kuna sellisest ideest ei tulnud midagi välja, pidi minema teistmoodi: väike pööramine — peatumine — pööramine — peatumine ja nii edasi. Jälle, mitte nii elegantne, kuid töökorras.

Lisaks mainin, et pärast iga jälitamist valib robot uue pöörde suuna juhuslikult (kella suunas või vastupidi).

Ultraheli andur

Veel üks riist, kus pidi otsima kompromisslahendust. Ultraheli andur annab tegelike takistuste korral ebastabiilseid näitajaid. Tegelikult oli see ootuspärane. Ideaalselt töötab ta kuskil võistlustel, kus on siledad, tasased ja risti pinnad, kuid kui tema ees „vilguvad“ kellegi jalad — siis tuleb rakendada täiendavat töötlemist.

Sellise töötlemise puhul paigaldasin mediaanfiltri kolme mõõtmise jaoks. Reaalsete laste testide põhjal (katsete käigus ei kannatanud ükski laps!) oli see piisav andmete normaliseerimiseks. Füüsika on siin lihtne: meil on signaalid, mis on peegeldunud vajalikelt objektidelt (millel on vajalik kaugus) ja peegeldunud kaugematelt, näiteks seintelt. Teised esindavad juhuslikke kõrvalekaldeid mõõtmistes nagu 45, 46, 230, 46, 46, 45, 45, 310, 46… Just neid mediaanfilter ja eemaldate.

Pärast kogu töötlemist saame kauguse lähima objekti juurde. Kui see on väiksem teatud piirmäärast, siis lülitame sisse häire ja suundume otse "rikkuja" juurde.

Vilkuv tuli ja sireen

Need on võib-olla kõige lihtsamad elemendid, mida siin loetletud. Nende vorme on näha ülalolevatel fotodel. Varustusest ei ole mõtet rääkida, seega liigume nüüd edasi koodi.

Juhtimisprogramm

Koodi detailne kirja panemine ei tundu mõttekas, kes vajab — link artikli lõpus, seal on kõik piisavalt arusaadav. Küll aga oleks hea selgitada üldstruktuuri.

Esimene asi, mida pidin mõistma: robot on reaalajas seade. Täpsemalt öeldes tuleb see meelde tuletada, kuna olen enamasti tegelenud elektroonikaga. Seega unustame kohe ära delay(), mida väga armastatakse kasutada näidisteskeemides, ja mis lihtsalt "külmutab" programmi määratud ajaperioodiks. Selle asemel, nagu soovitavad kogenud inimesed, kasutame igas plokis ajastajaid. Kui soovitud periood on möödas, siis teeme toimingu (suurendame LED valgustust, lülitame mootori sisse jne).

Ajastajad võivad olla omavahel seotud. Näiteks, helina töötamine toimub sünkroonselt vilkuva tulega. See lihtsustab programmi.

Muidugi jagame kõik eraldi funktsioonideks (vilkuv tuli, heli, pöörde, edasiviimine jne). Kui seda ei tehta, siis hiljem ei saa enam aru, kust mis tuleb ja kuhu läheb.

Pedagoogika nüansid

Kogu eelöeldut tegin ma oma vabal ajal õhtuti. Aeglasemas tempos kulus mul roboti peale umbes kolm nädalat. Sellega võikski lõpetada, kuid lubasin teile ka rääkida, kuidas töötada lastega. Mida on sellises eas võimalik teha?

Töö juhendiga

Iga detaili kontrollisime esmalt eraldi — LEDid, heliseja, mootori, andurid jne. On palju valmis näiteid — mõned otse arenduskeskkonnas, teised leiate internetist. See on kindlasti rõõmustav. Võtame koodi, ühendame detaili, veendume, et see töötab, ja siis hakkame seda oma ülesande jaoks muutma. Laste ühendused vastavalt skeemile ja mu teatud kontrollile teevad nad ise. See on hea. Täpselt juhendi järgi töötamiseks peab samuti oskama.

Töökorraldus ("üldiselt konkreetse kaudu")

See, this is a complex point. One needs to get accustomed to the idea that a large project ("building a robot") consists of smaller tasks ("connecting the sensor", "connecting the motors", etc.), which, in turn, break down into even smaller steps ("find the program", "connect the board", "upload the firmware"). By tackling more or less understandable lower-level tasks, we 'close' the mid-level tasks, and from those, the overall result takes shape. I've explained this, but I think the understanding will come later, probably around the teenage years.

Paigaldamine

Drilling, threading, screws, nuts, soldering, and the smell of rosin — how could we do without this? The child has acquired the basic skill of 'Working with a soldering iron' — we managed to solder a few connections (I did help a bit, I won't deny). Do not forget about explaining safety techniques.

Working on the computer

I wrote the program for the robot, but we still managed to achieve some incidental results.

First: English. They just started teaching it at school, so we were 'struggling' with understanding what pishalka, migalka, yarkost, and other transliteration terms meant. At least we got that part. I consciously avoided using native English words, since we hadn't reached that level yet.

Second: effective work. We learned hotkey combinations for quickly performing standard operations. Periodically, when writing the program, my son and I switched places, and I explained what needed to be done (replacement, search, etc.). I had to repeat over and over: 'highlight by double-clicking', 'hold Shift', 'hold Ctrl', and so on. The learning process is not quick here, but I think the skills will gradually settle into 'the subconscious'.

Peidetud tekstYou might say that the above is almost obvious. But honestly, this fall I had the misfortune of teaching computer science to 9th graders in one school. It was terrible. The students don't know basic things like Ctrl + Z, Ctrl + C, and Ctrl + V, text highlighting while holding Shift, or double-clicking on a word, and more. This is after they’ve had three years of computer science education... You can draw your own conclusions.

Third: touch typing. I entrusted my child with typing comments in code (let them practice). We immediately positioned the hands correctly so that the fingers would gradually memorize the key placements.

As you can see, we're still just getting started. We will continue honing our skills and knowledge; they will come in handy in life.

By the way, about the perspective...

Edasine areng

Robot on tehtud, see sõidab, vilgub ja piiksub. Mis nüüd edasi? Inspireerituna saavutatuist plaanime seda veel edasi arendada. On mõte luua kaugjuhtimine - nagu kuulaht, oleks huvitav istuda mõnel puldil ja juhtida roboti liikumist, mis liigub täiesti uues kohas. Kuid see on juba muu lugu…

Ja lõpuks, põhimõtteliselt, selle artikli kangelased (video lingil):