Arduinoで初めてのロボット（ロボット「ハンター」）作成体験

もしもし

この記事では、Arduino を使用して最初のロボットを組み立てるプロセスについて説明したいと思います。 この資料は、私のような「自走カート」を作りたいと思っている初心者にとっても役立つでしょう。 この記事は、さまざまなニュアンスについて私が追加した作業の段階を説明したものです。 最終コード (最も理想的ではない可能性が高い) へのリンクは、記事の最後に記載されています。

可能な限り、息子（8歳）も参加させました。 正確に何が機能し、何が機能しなかったのか - 記事の一部をこれに捧げました。おそらく誰かの役に立つでしょう。

ロボットの概要

まず、ロボット自体について少し説明します (アイデア）。 最初から標準的なものを組み立てたくはありませんでした。 同時に、シャーシ、エンジン、超音波センサー、ラインセンサー、LED、ツイーターなどのコンポーネントのセットは非常に標準的でした。 当初、縄張りを守るこの「スープセット」からロボットが発明されました。 彼はサークルラインを越えた違反者に向かって運転し、その後センターに戻ります。 ただし、このバージョンでは、線を引く必要があり、さらに常に円内に留まるように追加の計算が必要でした。

そこで、考えた結果、少し発想を変えて「ハンター」ロボットを作ることにしました。 開始時に、近くのターゲット (人) を選択して、軸を中心に回転します。 「獲物」を発見すると、「ハンター」は点滅ライトとサイレンを点灯し、それに向かって走り始めます。 人が遠ざかる/逃げると、ロボットは新たなターゲットを選択して追跡するなどの動作を行います。 このようなロボットは限られた範囲を必要とせず、オープンエリアで作業できます。

ご覧のとおり、これは追いつきゲームによく似ています。 最終的にはロボットは十分な速さは得られませんでしたが、周囲の人々と誠実に対話します。 特に子供たちはこれを好みます（ただし、時々踏みつけられそうになってドキドキしてしまうこともあります…）。 これはテクニカルデザインを普及させるための良い解決策だと思います。

ロボットの構造

アイデアは決まりましたので、次に進みましょう レイアウト。 要素のリストは、ロボットが実行できる必要があることから形成されます。 ここでの内容はすべて非常に明白なので、すぐに番号を見てみましょう。

ロボットの「頭脳」は Arduino uno ボード (1) です。 中国から注文したセットに入っていました。 私たちの目的にとっては、これで十分です (使用するピンの数に注目します)。 同じキットから既製のシャーシ (2) を取り出し、その上に 3 つの駆動輪 (4) と 5 つの後輪 (自由回転) (04) が取り付けられています。 キットには既製のバッテリーコンパートメント (6) も含まれています。 ロボットの前方には超音波センサー（HC-SR298）（7）、後方にはモータードライバー（L8N）（9）、中央にはLEDフラッシャー（XNUMX）、そして少しだけ側面にはツイーター (XNUMX) があります。

レイアウト段階では次のことを確認します。

- すべてが収まるように
- バランスをとること
- 合理的に配置される

中国人の同僚がすでにこれを部分的にやってくれています。 そのため、重いバッテリー収納部が中央に配置され、駆動輪はそのほぼ下に配置されます。 他のボードはすべて軽量なので、外周に配置できます。

ニュアンス：

1. キットのシャーシには工場出荷時の穴がたくさんありますが、そこにどのようなロジックがあるのか​​はまだわかりません。 エンジンとバッテリーパックは問題なく固定され、基板を固定するために新しい穴を開けることから「調整」が始まりました。
2. 保管場所にある真鍮のラックやその他の留め具がとても役に立ちました（時々、それらを取り出さなければならないことがありました）。
3. 各ボードのバスバーをクランプに通しました（これも保管庫で見つけました）。 非常に便利で、すべてのワイヤーがきれいに配置され、垂れ下がることはありません。

個々のブロック

今、私は通り抜けます ブロック それぞれについて個別に説明します。

バッテリーコンパートメント

ロボットには優れたエネルギー源が必要であることは明らかです。 オプションは異なる場合がありますが、私は単三電池 4 本のオプションを選択しました。 合計で約 5 V が得られ、この電圧は Arduino ボードの 5V ピンに直接適用できます (スタビライザーをバイパスします)。

もちろん、ある程度の警戒はしていましたが、この解決策はかなり実行可能です。

電力はどこでも必要なため、便宜上、ロボットの中心に 5 つのコネクタを作成しました。XNUMX つはアース (右側) を「分配」し、XNUMX 番目は XNUMX V (左側) を「分配」します。

モーターとドライバー

まずはエンジンの搭載について。 マウントは工場で製造されていますが、公差が大きく作られています。 言い換えれば、エンジンは左右に数ミリメートルぐらつく可能性があります。 私たちのタスクにとって、これは重要ではありませんが、場所によっては影響を受ける可能性があります (ロボットが横に動き始めます)。 念のためエンジンを厳密に平行にして接着剤で固定しました。

モーターの制御には、上で書いたようにL298Nドライバーを使用します。 ドキュメントによると、各モーターに 5 つのピンがあり、XNUMX つは速度変更用、もう XNUMX 組のピンは回転方向用です。 ここで重要な点が XNUMX つあります。 電源電圧が XNUMX V の場合、速度制御はまったく機能しないことがわかります。 つまり、まったく回転しないか、最大まで回転します。 これは、私が数晩「死ぬ」ことになった原因です。 結局、フォーラムのどこかで言及を見つけました。

一般的に言えば、ロボットが空間をスキャンする時間を確保できるように、ロボットを回転させるときは低い回転速度が必要でした。 しかし、このアイデアからは何も生まれなかったため、別の方法で実行する必要がありました。つまり、小回りをして停止し、方向転換して停止するなどです。これもあまりエレガントではありませんが、実行可能です。

また、追跡のたびに、ロボットは新しい方向にランダムな方向 (時計回りまたは反時計回り) を選択することも付け加えておきます。

超音波センサー

もう XNUMX つのハードウェアでは、妥協的な解決策を探さなければなりませんでした。 超音波センサーは、実際の障害物では不安定な数値を生成します。 実際、これは予想されていました。 理想的には、滑らかで平らで垂直な表面がある競技会のどこかで機能しますが、誰かの脚がその前で「フラッシュ」した場合は、追加の処理を導入する必要があります。

そのような処理として私が設定したのは メディアンフィルター XNUMXカウント。 実際の子供に対するテストに基づくと (テスト中に子供に危害が加えられることはありませんでした!)、データを正規化するには十分であることが判明しました。 ここでの物理学は単純です。信号が反射されます。 必要な （必要な距離を与える）物体や、より遠くにある物体（壁など）からの反射。 後者は、形式 45、46、 230、46、46、45、45、 310, 46...メディアンフィルターがカットするのはこれらです。

すべての処理が完了すると、最も近いオブジェクトまでの距離が得られます。 それが特定のしきい値未満の場合、警報をオンにし、「侵入者」に向かってまっすぐに運転します。

フラッシャーとサイレン

おそらく、上記すべての要素のうち最も単純な要素です。 それらは上の写真で見ることができます。 ハードウェアについてはここでは特に書くことはないので、次に進みましょう。 コード.

制御プログラム

コードを詳しく説明する意味がわかりません。誰がそれを必要としているのでしょうか。リンクは記事の最後にあり、そこにあるものはすべて非常に読みやすいです。 しかし、一般的な構造を説明するのは良いでしょう。

私たちが最初に理解する必要があったのは、ロボットはリアルタイム デバイスであるということです。 より正確に言えば、以前も今も私はまだエレクトロニクス関連の仕事をしているからです。 だから私たちは挑戦のことをすぐに忘れてしまいます ディレイ（）これはサンプル スケッチで好んで使用され、指定された期間プログラムを単に「フリーズ」します。 代わりに、経験豊富な人々のアドバイスに従って、ブロックごとにタイマーを導入します。 必要な間隔が経過しました - アクションが実行されました (LED の明るさの増加、エンジンの始動など)。

タイマーは相互接続できます。 たとえば、ツイーターはフラッシャーと同期して動作します。 これによりプログラムが少し簡素化されます。

当然のことながら、すべてを個別の機能 (ライトの点滅、音、方向転換、前進など) に分解します。 そうしないと、どこから何が来ているのかわかりません。

教育学のニュアンス

上記のすべてを夜の自由時間に行いました。 ゆっくりと、XNUMX週間ほどロボットを作りました。 ここで終わることもできましたが、子どもとの関わりについても話すと約束しました。 この年齢で何ができるでしょうか？

指示に従って作業する

まず、LED、ツイーター、モーター、センサーなどの各詳細を個別にチェックしました。既製のサンプルが多数あり、開発環境にあるものもあれば、インターネットで見つけることができるものもあります。 これは確かに嬉しいですね。 コードを取得し、部品を接続し、それが機能することを確認してから、タスクに合わせてコードを変更し始めます。 子供は私の指導の下、図に従って接続を行います。 これはいい。 また、指示に従って厳密に作業できることも必要です。

作業の順序（「特定のものから一般的なもの」）

これは難しい点です。 大きなプロジェクト (「ロボットを作る」) は小さなタスク (「センサーを接続する」、「モーターを接続する」...) で構成されており、それらはさらに小さなステップ (「ロボットを見つける」など) で構成されていることを学ぶ必要があります。 「プログラム」、「ボードを接続する」、「ファームウェアをダウンロードする」...)。 下位レベルの多かれ少なかれ理解できるタスクを実行することによって、中位レベルのタスクを「終了」し、そこから全体的な結果が形成されます。 説明しましたが、すぐには実現しないと思います。 おそらく思春期までのどこかで。

インストール

穴あけ、ネジ山、ねじ、ナット、はんだ付け、そして松脂の匂い - これなしではどうなるでしょうか? 子供は「はんだごてを使って作業する」という基本的なスキルを受け取りました - 彼はなんとかいくつかの接続をはんだ付けすることができました（私は少し助けました、私はそれを隠しません）。 安全性の説明も忘れずに。

パソコン作業

私はロボットのプログラムを書きましたが、それでもある程度の良好な結果を得ることができました。

最初：英語。 学校でそれを始めたばかりだったので、私たちはピシャルカ、ミガルカ、ヤーコスト、その他の音訳が何であるかを理解するのに苦労していました。 少なくとも私たちはこれを理解しました。 私たちはまだそのレベルに達していないので、ネイティブの英語の単語を意図的に使用しませんでした。

XNUMXつ目は効率的な仕事です。 ホットキーの組み合わせと、標準的な操作をすばやく実行する方法を教えました。 プログラムを書いているとき、定期的に息子と私は場所を交換し、私は何をする必要があるかを言いました (置換、検索など)。 「ダブルクリックして選択」「Shift キーを押したまま」「Ctrl キーを押したまま」などを何度も繰り返す必要がありました。 ここでの学習プロセスは速くありませんが、スキルは徐々に「皮質下」に蓄積されると思います。

隠しテキスト以上のことはほぼ自明のことであると言えるでしょう。 しかし、正直に言うと、この秋、私はある学校で 9 年生にコンピューター サイエンスを教える機会がありました。 それはひどいですね。 学生は、Ctrl + Z、Ctrl + C、Ctrl + V、Shift キーを押しながらテキストを選択する、単語をダブルクリックするなどの基本的なことを知りません。 これは、彼らがコンピュータ サイエンスを学んで XNUMX 年目だったという事実にもかかわらずです... 結論は自分で決めてください。

XNUMXつ目はタッチタイピングです。 コード内のコメントは子供に入力してもらいました（練習させました）。 私たちはすぐに手を正しく置き、指がキーの位置を徐々に覚えていきました。

ご覧のとおり、私たちはまだ始まったばかりです。 これからも生活に役立つ知識や技術を磨いていきます。

さて、今後のことですが…

さらなる発展

ロボットが作成され、駆動し、点滅し、ビープ音が鳴ります。 今は何ですか？ これまでの成果に触発されて、さらに改良を加えていく予定です。 月面探査車のようなリモコンを作るというアイデアがあります。 リモコンの前に座って、まったく別の場所を運転しているロボットの動きを制御するのは興味深いでしょう。 でもそれはまた別の話になります...

そして最後に、実際、この記事の主人公たちです（クリックするとビデオが表示されます）。

ありがとうございました！

→ コードリンク

出所： habr.com