روبوت ذاتي التوازن: 6 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

سنشرح لك في Instructable كيفية بناء روبوت ذاتي التوازن صنعناه كمشروع مدرسي. يعتمد على بعض الروبوتات الأخرى ، مثل nBot و Instructable آخر. يمكن التحكم في الروبوت من هاتف ذكي يعمل بنظام Android عبر اتصال Bluetooth. نظرًا لأن Instructable لا يغطي سوى عملية البناء ، فقد كتبنا أيضًا مستندًا لتغطية الخلفية التقنية للرمز والإلكترونيات. يحتوي أيضًا على روابط للمصادر التي تم استخدامها ، لذا يمكنك إلقاء نظرة عليها إذا لم يكن المستند شاملاً بما يكفي بالنسبة لك.

لاتباع جميع خطوات هذا المشروع ، ستحتاج إلى بعض مهارات الطباعة ثلاثية الأبعاد أو طريقة ذكية أخرى لربط العجلات بالمحركات.

الخطوة 1: المتطلبات

يعتمد الروبوت على لوحة تحكم مارتينيز بدون فرش. هناك بعض الاختلافات الطفيفة في هذه اللوحة ، ولكن طالما أن لديك واحدة مع شريحة ATmega328 ووحدات التحكم في المحرك L6234 ، فيجب أن تكون على ما يرام. إذا كنت تبحث عن "Martinez board" على صور Google ، فسترى أن هناك بعض اللوحات بموصل سهل لشريحة IMU و / أو البطارية ، بدلاً من رؤوس الدبوس أو الثقوب. في الحالة الأخيرة ، سيكون مفيدًا إذا طلبت حزمة من دبابيس الرأس ، والتي يمكنك بعد ذلك لحامها في الثقوب.

قائمة جزئية

تحتوي بعض العناصر الموجودة في هذه القائمة على روابط لمحلات الويب.

• وحدة التحكم: Martinez BoardDX.com (يأتي أيضًا مع IMU وبعض دبابيس الرأس).
• IMU: MPU6050
• البطارية (450 مللي أمبير بطارية 3S LiPo) ملاحظة: ستحتاج أيضًا إلى شاحن LiPo 3S eBay.com
• 2x المحرك: محرك بدون فرش 2208 ، KV100DX.com
• عجلات (يمكنك الحصول عليها من الألعاب الموجودة أو من LEGO)
• 6x M2 برغي 5 مم
• برغي 8x M3 (يعتمد الطول على المادة المستخدمة في التصميم الخارجي ، ويحتاج المرء إلى أن يكون طويلاً للغاية)
• شريحة Bluetooth HC-05 (تأكد من الحصول على واحدة مع لوحة واجهة تسلسلية مرفقة ، وليس مجرد شريحة عارية) هام: تأكد من أن الشريحة بها دبوس يحمل علامة KEY.
• الأسلاك: من أنثى إلى أنثى ، سيكون شراء حزمة من 20 سلكًا أكثر من كافٍ
• الشريط الفيلكرو
• كبل USB لتوصيل وحدة التحكم بجهاز الكمبيوتر
• اختياري: رأس pinDX.com (يمكنك قصها أو كسرها إلى الطول المطلوب)
• غسالات وفواصل بلاستيكية

أخيرًا ، تحتاج إلى بعض الأكريليك أو الخشب أو الورق المقوى المصحوب بغراء أو شريط - لإنشاء هيكل يحمل جميع المكونات.

الخطوة 2: تكوين شريحة بلوتوث

بمجرد حصولك على جميع الأجزاء ، فقد حان الوقت لتهيئة شريحة البلوتوث. ستحتاج إلى كبل USB لتوصيل لوحة التحكم بجهاز الكمبيوتر الخاص بك بالإضافة إلى Arduino IDE للتواصل مع المكونات.

لهذا ، ستحتاج إلى تنزيل الملف:

HC-05_Serial_Interface.ino

ثم اتبع هذه الخطوات:

1. قم بتوصيل وحدة التحكم بجهاز الكمبيوتر الخاص بك باستخدام كابل USB.
2. افتح ملف.ino باستخدام Arduino IDE.
3. في IDE ، انتقل إلى Tools ، Board وتأكد من ضبطها على Arduino / Genuino Uno.
4. انتقل الآن إلى Tools، Port وقم بتعيينه على منفذ COM الذي تتصل به وحدة التحكم. عادة ما يكون هناك منفذ واحد فقط. إذا كان هناك العديد ، فتحقق من إدارة الأجهزة (في نظام التشغيل Windows) لمعرفة أي منها هو جهاز التحكم.
5. الآن ، اضغط على زر التحميل في IDE وانتظر انتهاء التحميل. بعد ذلك ، افصل كبل USB من الكمبيوتر أو جهاز التحكم.

بعد القيام بذلك ، قم بتوصيل HC-05 باستخدام كبلات DuPont على النحو التالي:

تحكم HC-05

مفتاح + 5 فولت GND GND TXD RX RXD TX

الآن قم بتوصيل كبل USB مرة أخرى ، ثم قم بتوصيل دبوس VCC الخاص بـ HC-05 بمنفذ + 5 فولت آخر على وحدة التحكم. يجب أن يومض مؤشر LED بفاصل زمني يبلغ 1 ثانية تقريبًا.

في Arduino IDE ، حدد منفذ COM الصحيح ، ثم انتقل إلى Tools ، Serial Monitor.

اضبط خيار Line Ending في Serial Monitor على كل من NL & CR. اضبط معدل Baud على 38400. الآن يمكنك استخدام Serial Monitor لإرسال أوامر الإعداد إلى شريحة Bluetooth. هذه هي الأوامر:

AT تحقق من الاتصال

AT + NAME الحصول على / تعيين اسم عرض Bluetooth AT + UART الحصول على / تعيين معدل البث بالباود AT + ORGL إعادة تعيين إعدادات المصنع الافتراضية AT + PSWD الحصول على / تعيين كلمة مرور Bluetooth

لتغيير الاسم وكلمة المرور ومعدل الباود لجهاز Bluetooth ، أرسل الأوامر التالية:

AT + NAME = "مثال على الاسم"

AT + PSWD = "PassWord123" AT + UART = "230400 ، 1 ، 0"

يمكن تعيين خيارات الاسم وكلمة المرور على ما تريد ، فقط تأكد من ضبط معدل البث بالباود باستخدام نفس الأمر تمامًا كما هو مذكور أعلاه. هذا يضبطه على 230400 باود ، مع بت توقف واحد وبدون تماثل. بعد إعداد كل شيء ، أعد توصيل كابل USB (للخروج من وضع الإعداد) وحاول إقران هاتفك بالشريحة. إذا كان كل شيء يعمل ، افصل كابل USB وانتقل إلى الخطوة التالية.

الخطوة الثالثة: ربط العجلات بالمحركات

العجلات التي تم استخدامها في هذا المشروع لها أصل غير معروف (كانت موضوعة في درج به الكثير من الأشياء الأخرى). من أجل ربط العجلات بالمحركات ، قمنا بطباعة قطعة ثلاثية الأبعاد تتطابق مع فتحات المسامير في المحركات. تم شد القطع باستخدام ثلاثة براغي 5 ملم 2 م لكل محرك. تحتوي كلتا القطعتين على دبوس يلائم الثقوب الموجودة في محاور العجلات.

يتم تضمين نموذج SolidWorks. سيتعين عليك على الأرجح تعديله بما يتناسب مع عجلاتك ، أو إيجاد حل عملي مختلف يناسب العجلات. على سبيل المثال ، يمكنك استخدام جهاز Dremel لعمل ثقب بنفس حجم المحرك (أو أصغر قليلاً لمنحه ملاءمة محكمة) ، ثم يمكنك الضغط على المحرك في العجلة. فقط تأكد من الحصول على العجلات المناسبة لهذه الوظيفة إذا كنت تخطط للقيام بذلك.

الخطوة 4: إنشاء المظهر الخارجي

بالنسبة للجزء الخارجي ، تم استخدام قطعتين من الخشب وتم قطعهما بنفس الشكل. للبدء ، وضعنا علامة على محيط المحرك في منتصف الجزء السفلي من القطعة. ثم قمنا بتمييز كل زاوية بخط 45 درجة ، مع التأكد من ترك مساحة كافية للمحرك ليجلس في المركز السفلي. ثم قمنا بربط قطعتين من الخشب معًا ونزع الزوايا. لإنهاء الأشياء ، قمنا بصقل الزوايا لجعلها أقل حدة وإزالة الشظايا.

حان الوقت الآن لعمل ثقوب للمسامير والمحور المنتفخ من ظهر المحرك. إذا قمت بربط قطع الخشب ببعضها البعض عند الثقب ، فكل ما عليك فعله هو حفر كل ثقب مرة واحدة.

لإنشاء مخطط لفتحات المسامير ، استخدمنا قطعة من الورق ووضعناها على الجزء الخلفي من المحرك واستخدمنا قلم رصاص للضغط على فتحات المسامير ، عبر الورقة مباشرة. ثم تم وضع قطعة الورق ذات الفتحات الأربعة على الخشب حتى نتمكن من تحديد موقع الثقوب التي سيتم حفرها. لحفر الثقوب ، استخدم مثقاب 3 ، 5 مم. الآن ، استخدم قلم رصاص ومسطرة للعثور على مركز هذه الثقوب وإنشاء ثقب للمحور باستخدام مثقاب 5 مم. قم بتوصيل المحركات بمسامير M3 ، لكن اترك أحد المسامير اللولبية المتباعدة من محرك واحد.

للحصول على موصل المحرك والسلك داخل الروبوت ، قمنا أيضًا بحفر ثقب 8 مم أعلى قليلاً من المحرك. تأكد من وجود مساحة كافية لثني الأسلاك دون إجهادها كثيرًا.

من المهم العمل بأكبر قدر ممكن من الدقة لإنشاء مظهر خارجي متماثل (شبه كامل)

الخطوة 5: تركيب المكونات

ضع علامة على خط إرشادي عمودي للمركز على الخشب حتى تتمكن من وضع المكونات في المركز. يمكنك إرفاق كل شيء بالخشب باستخدام شريط الفيلكرو. في الروبوت الخاص بنا ، استخدمنا مسامير وصواميل صغيرة لتأمين لوحة التحكم ، ولكن يمكنك أيضًا استخدام شريط فيلكرو (لم يكن لدينا بعد في الوقت الذي قمنا فيه بتوصيل وحدة التحكم). تأكد من أنه يمكنك توصيل كبل USB بعد الانتهاء من البناء.

وضعنا وحدة التحكم في المنتصف مع توجيه منفذ USB لأسفل ، حتى نتمكن من توصيل الكابل من بين العجلات. يمكنك أيضًا توجيهه إلى أحد الجانبين.

ضع البطارية على أعلى مستوى ممكن ، بحيث يصبح الروبوت ثقيلًا من الأعلى. ضع أيضًا منفذ الشحن في مكان يسهل الوصول إليه بالقرب من الحافة.

شريحة بلوتوث

قم بتوصيل دبوس VCC لشريحة Bluetooth بـ + 5 فولت على وحدة التحكم ، و Bluetooth GND بوحدة التحكم GND. ينتقل دبوس TXD الخاص بوحدة التحكم إلى Bluetooth RX وينتقل دبوس RXD الموجود على وحدة التحكم إلى طرف Bluetooth TX. ثم قم فقط بلصق شريحة البلوتوث في مكان ما على اللوحة الخشبية باستخدام شريط فيلكرو.

رقاقة الحركة

تحتوي شريحة الحركة على فتحتين لولبيتين ، لذلك قمنا بتوصيل الشريحة باستخدام مباعد ، بحيث يقع مركز الشريحة فوق مركز المحرك. لا يهم الاتجاه ، حيث يقوم الروبوت بمعايرة نفسه عند التشغيل. تأكد من استخدام غسالة بلاستيكية أسفل رأس المسمار لمنع تقصير الدائرة.

ثم استخدم أسلاك DuPont لتوصيل المسامير بوحدة التحكم. يتم تسمية كل دبوس بنفس التسمية الموجودة على وحدة التحكم كما هو الحال في شريحة الحركة ، لذا فإن توصيله أمر واضح بذاته.

مفتاح التشغيل

من السهل توصيل مفتاح الطاقة. أخذنا واحدًا من جهاز قديم ، وقمنا بإزالته من لوحة الدوائر الخاصة به. لاستخدامه كمفتاح طاقة للروبوت ، يمكنك توصيل السلك الموجب للبطارية بالدبوس (بافتراض أنه مفتاح ذو ثلاثة دبابيس) على الجانب الذي تريد تشغيله للمفتاح. ثم قم بتوصيل دبوس المركز بإدخال الطاقة الإيجابي لوحدة التحكم. لقد قمنا بتوصيل أسلاك DuPont بالمفتاح ، بحيث لا يتم توصيل البطارية نفسها بشكل دائم بالمفتاح.

ربط الجانبين

الآن أنت تعرف موقع المكونات ولديك وجهان للروبوت. ستكون الخطوة الأخيرة في بناء الروبوت هي ربط الجانبين ببعضهما البعض. استخدمنا أربع مجموعات من ثلاث قطع من الخشب تم لصقها معًا وثبتها على الجوانب بحيث تكون شريحة الحركة الخاصة بنا على المحور الأوسط للروبوت. يجب أن يقال أن المواد المستخدمة ، بشرط أن تكون قوية بما فيه الكفاية ، لا تهم كثيرًا. يمكنك حتى استخدام وصلة أثقل في الأعلى لزيادة ارتفاع مركز الكتلة بشكل أكبر. ولكن على عكس الوضع الرأسي لمركز الكتلة ، يجب الحفاظ على الوضع الأفقي لمركز الكتلة في مكانه قدر الإمكان ، فوق محور العجلة ، حيث سيصبح تشفير رمز شريحة الحركة صعبًا إذا كان المركز الأفقي من النازحين.

أنت الآن جاهز لتحميل الرمز وضبط وحدة التحكم.

الخطوة 6: تحميل وضبط الكود

لتحميل الكود ، تحتاج إلى جهاز كمبيوتر مزود بـ Arduino IDE. قم بتنزيل ملف.ino أدناه وافتحه باستخدام Arduino IDE. يتم تحميله على وحدة التحكم بنفس الطريقة كما فعلت مع الكود من إعداد Bluetooth.

من أجل تشغيل الروبوت ، تحتاج إلى تنزيل التطبيق "جويستيك بلوتوث كوماندر" من متجر Play. شغّل قوة الروبوت وضعها على الأرض ، سواء في الأمام أو الخلف. قم بتشغيل التطبيق والاتصال بشريحة Bluetooth. سينتقل Datafield 1 من XXX إلى READY بمجرد أن يقوم الروبوت بمعايرة نفسه (5 ثوانٍ لوضعه على جانبه ، متبوعًا بـ 10 ثوانٍ من المعايرة). يمكنك تشغيل الروبوت عن طريق تبديل الزر 1 في التطبيق. الآن ضع الروبوت عموديًا على الأرض واتركه بمجرد أن تشعر بتشغيل المحركات. هذا عندما يبدأ الروبوت في موازنة نفسه.

الروبوت جاهز الآن للضبط ، حيث من المحتمل ألا يكون ثباته جيدًا. يمكنك تجربة ما إذا كان يعمل بدون ضبط إضافي ، ولكن عليك أن تجعل الروبوت مطابقًا تمامًا لنا حتى يعمل بشكل صحيح. لذلك في معظم الحالات ، يجب عليك ضبط وحدة التحكم لتعمل بشكل أفضل مع الروبوت الخاص بك. إنها سهلة للغاية ، على الرغم من أنها تستغرق وقتًا طويلاً. هيريس كيفية القيام بذلك:

ضبط وحدة التحكم

ستجد في مكان ما في الكود 4 متغيرات ، تبدأ بحرف k. هذه هي kp و kd و kc و kv. ابدأ بتعيين جميع القيم على الصفر. القيمة الأولى التي يجب تعيينها هي kp. قيمة kp الافتراضية هي 0.17. حاول ضبطه على شيء أقل بكثير مثل 0.05. قم بإيقاف تشغيل الروبوت ، وتحميل الكود وشاهد كيف يحاول تحقيق التوازن. إذا انخفض إلى الأمام ، فقم بزيادة القيمة. أذكى طريقة للقيام بذلك هي عن طريق الاستيفاء:

1. اضبط القيمة على شيء منخفض وجربه
2. اضبط القيمة على شيء مرتفع وجربه
3. عيّن القيمة إلى متوسط الاثنين وجربها
4. حاول الآن معرفة ما إذا كانت متوازنة بشكل أفضل على القيمة المنخفضة أو العالية ومتوسط القيمة الحالية والقيمة التي تعمل بها بشكل أفضل.
5. استمر حتى تجد بقعة حلوة

النقطة المثالية لقيمة kp هي عندما تكون حول حافة التعويض الناقص والمفرط. لذلك في بعض الأحيان يتراجع إلى الأمام لأنه لا يستطيع مواكبة انخفاض سرعته ، وفي أحيان أخرى يتراجع إلى الوراء لأنه يتخطى في اتجاه مختلف.

بعد تعيين قيمة kp ، اضبط kd. يمكن القيام بذلك بنفس الطريقة التي قمت بها مع kp. قم بزيادة هذه القيمة حتى يصبح الروبوت متوازنًا تقريبًا ، بحيث يتأرجح ذهابًا وإيابًا حتى يسقط. إذا قمت بضبطه على مستوى عالٍ جدًا ، فيمكنك جعله يوازن بشكل جيد بالفعل ، ولكن عندما يكون التوازن مضطربًا للغاية ، فسوف ينخفض (مثل عندما تدفعه). لذا حاول العثور على البقعة التي لا تكون متوازنة تمامًا ، ولكنها قريبة جدًا.

كما قد تتخيل ، قد يستغرق ضبط وحدة التحكم عدة محاولات حيث تزداد صعوبة مع كل متغير جديد يتم تقديمه. لذا إذا كنت تعتقد أنه لن ينجح ، فابدأ من جديد.

حان الوقت الآن لتعيين kv. أقحم هذا حتى تجد القيمة التي يتوقف عندها الروبوت عن التأرجح ، ويبقى متوازنًا ويمكنه التعامل مع دفعة خفيفة. عند الضبط على درجة عالية جدًا ، فإنه يؤثر سلبًا على الاستقرار. حاول اللعب مع kv و kp للعثور على النقطة التي يكون عندها الأكثر استقرارًا. هذه هي الخطوة الأكثر استهلاكا للوقت في الضبط.

القيمة الأخيرة هي kc. هذه القيمة تجعل الروبوت يعود إلى موضعه الأخير بعد تعويض دفعة أو أي شيء آخر. يمكنك تجربة نفس طريقة الاستيفاء هنا ، ولكن يجب أن يعمل 0.0002 جيدًا في معظم الحالات.

هذا كل شيء! الروبوت الخاص بك جاهز الآن. استخدم عصا التحكم على هاتفك الذكي للتحكم في الروبوت. لكن احذر ، لأن المضي قدمًا بأقصى سرعة قد يؤدي إلى سقوط الروبوت. العب مع متغيرات وحدة التحكم لتعويض ذلك قدر الإمكان. ستكون الخطوة الأكثر منطقية هي النظر إلى قيمة kp لهذا ، حيث أن ذلك يعوض مباشرة عن الزاوية الحالية للروبوت.

ملاحظة مهمة حول بطاريات LiPo

يوصى بفحص الجهد الكهربائي لبطارية LiPo بانتظام. لا ينبغي تفريغ بطاريات LiPo إلى أقل من 3 فولت لكل خلية قياس 9 فولت على 3S LiPo. إذا انخفض الجهد الكهربائي إلى أقل من 3 فولت لكل خلية ، فسيحدث فقد دائم لسعة البطارية. إذا انخفض الجهد الكهربي إلى أقل من 2.5 فولت لكل خلية ، فتخلص من البطارية واشتر واحدة جديدة ، حيث يعد شحن خلية LiPo بأقل من 2.5 فولت أمرًا خطيرًا لأن المقاومة الداخلية تصبح عالية جدًا ، مما يؤدي إلى سخونة البطارية وخطر حريق محتمل أثناء الشحن.