Добрый день, уважаемые хабровчане.
Прошло достаточно много времени с тех пор, как я последний раз писал сюда статьи по разработке, пора это дело исправить.
В этой статье я расскажу о том, как собирал небольшого робота на микроконтроллере STM32F101 для развлечения своего мейн-куна, Артаса, о том, с какими проблемами пришлось столкнуться и о том, что же из этого вышло.
Предыстория и постановка задачи
Пол года назад у меня появился вот этот черный красавец мейн-кун, которого я назвал Артасом в честь известного героя компьютерной игры.
Кот невероятно игривый, обожает бегать, нападать из засады и даже приносить мячик, как собака. Так как я давно ничего не собирал, решено было разработать небольшую игрушку для кота.
Основными требования, предъявляемые к ней были:
- Защищенность критичных частей конструкции от котовых зубов и когтей, в идеале - полностью закрытый корпус (шарик)
- Из предыдущего пункта следует требование к малым габаритам устройства, т.к. желательно, чтобы это все-таки был небольшой шарик, а не футбольный мяч.
- Возможность управления с мобильного телефона/планшета и стационарного компьютера - чтобы не изобретать велосипед и обеспечить совместимость с мобильными устройствами идеально подойдет связь по Bluetooth.
- Чтобы было поинтереснее желательно наличие хоть какого-нибудь датчика, который бы позволил в перспективе сделать робота более-менее автономным, а не просто радиоуправляемой машинкой.
- Наличие какого-нибудь способа вывести звук, чтобы привлекать внимание котэ.
Сразу же продемонстрирую короткое видео того, что получилось, кошкобот запущен в тестовом режиме (управляется мною, с компьютера):
Кошкобот тестируется без внешней оболочки, издает привлекающие кота звуки и не может убежать т.к. выходит из строя один из приводов.
(Об этом подробнее в конце статьи)
Кошкобот в сборе
Некоторым может показаться, что кот не очень активно реагирует на робота, но на самом деле причина в том, что за время тестирования он уже сотню раз выхватывал его у меня, уносил и грыз. Разумеется, робота я отбирал (пока он не закончен), поэтому кот, видя робота на полу, решил выжидать некоторое время, чтобы удостовериться, что у него его не отберут сразу же, как только он нападет)
Разработка: выбор элементной базы и подготовка
Корпус
Определившись с предполагаемой конструкцией я приобрел пару пластиковых шариков, состоящих из двух половинок - один диаметром 60 мм, другой - 80 мм, на случай если в первый не удастся вместиться. Такие габариты сильно ограничили выбор двигателей и датчиков (в том смысле, что, например, об УЗ-датчике можно было забыть, он не вместился бы в шар и, более того, не стал бы работать в закрытом пространстве.
Микроконтроллер
После отпиливания «ушка», шары стали идеальными кандидатами на роль корпуса. В силу ограниченности габаритов, было решено проектировать всю схематику с использованием самых малогабаритных корпусов, то есть, большей частью, QFN.В качестве центрального процессора был выбран STM32F101 , так как это микроконтроллер на ядре Кортекс М3, а не урезанном М0, при этом он может работать на 36 МГц, обладает 64 КБ флеша и 16 КБ ОЗУ, и, самое главное, выпускается в 6х6 мм QFN-корпусе.
Датчик
В качестве датчика был выбран трехосный акселерометр от тех же ST, на который как раз была скидка в Терраэлектронике, так что он достался мне по цене около 30 рублей за штуку.Акселерометр выпускается в корпусе QFN, 3х3 мм и может общаться по шине I2C, что весьма кстати в условиях ограниченных габаритов. При помощи акселерометра возможно вычилить наклон робота по трем осям, а также, возможно попробовать получить от него информацию о том, движется ли робот, или налетел на препятствие (по изменению ускорения). Ну и, конечно, определить момент, в которые его пинает кот, чтобы издать писк - таким образом кот будет считать, что это что-то живое)
Связь
В качестве средства связи, конечно, берем зарекомендовавшие себя, дешевые и малогабаритные китайские модули HC-05
Это единственный готовый модуль в составе робота.
Источник звука
Изначально я хотел использовать малогабаритные динамики, но, к сожалению, даже самые малогабаритные все равно были весьма большими. К тому же они немало потребляли и требовали как минимум транзистора и фильтра, для того, чтобы раскачать их ШИМом. После некоторого количества гугления я нашел вот такую вот занятную пьезо-пищалку:PKLCS1212E4001 фирмы Murata стоит 48 рублей, имеет габариты 11х11 мм (самый большой элемент на плате!) и является стандартным Piezo Sounder"ом - устройством, которое издает звук за счет изгиба мембраны пьезоэлектрическим эффектом. А это значит, что она потребляет на порядки меньше тока, чем динамик, пищащий на той же громкости.
Но, в отличие от динамика у нее весьма хитрая и неровная АЧХ, так что лучше всего она умеет именно пищать. И громче всего у нее получается это делать на частоте 4КГц (но это не значит, что нельзя пищать на других!)
Приводы
Важнейший элемент - приводы, которые будут двигать робота. К сожалению, с ними было не все так гладко, как хотелось бы, об этом подробнее в конце статьи. В качестве приводов я решил взять самые малогабаритные сервы, которые только смог найти и переделать их под постоянное вращение.Мой выбор объясняется тем, что взяв сервы я получаю мотор+редуктор+плату управления в корпусе порядка 15х20х8 мм. При всем желании я не смог найти мотор-редукторов таких габаритов.
В итоге выбор пал на суб-микро сервы , ценой 187 рублей за штуку:
Питание
Все элементы выбраны, осталось определиться как и чем питать систему. Очевидно, самым малогабаритным и подходящим источником является небольшой литий-полимерный аккумулятор. Так как приводы требуют 4.8В, повысим напряжение до 5В малогабаритным DC-DC конвертером от MAXIM Semiconductors. MAX8815 - великолепная микросхема в корпусе 3х3 мм, позволяющая отдать в нагрузку до 1А с 97% эффективностью (которая, разумеется, зависит от правильности разводки печатной платы, режима работы и выбора обвязки, как всегда).Так как приводы даже в моменты пиковой нагрузки потребляют не более 600 мА вдвоем, этого более чем достаточно.
Чтобы запитать остальную электронику и уберечь ее от помех, вносимых двигателями, после DC-DC буст-конвертера поставим малогабаритный линейный регулятор от TI, LP2985 , c фиксированным 3.3В выходом.
Схемотехника и немного конструкции
Для начала пару слов о конструкции робота. Чтобы минимизировать габариты и затраты я решил использовать печатные платы как элементы конструкции. То есть приводы зажимаются между двух печатных плат, которые скрепляются винтами. В сборе (и после отладочных модификаций платы, о которых позднее) это все выглядит вот так:
Чтобы приводы не съезжали, между платой и их поверхностью я положил замечательный материал - латекс от эспандера Torres
Дело в том, что когда-то я купил в Китае рогатку. Сама рогатина была очень удобная, из титанового сплава, но вот резина там была ни к черту. В интернете специалисты по рогаткам советовали сразу ее выкинуть, купить себе этот самый эспандер, и вырезать из него жгуты на замену. Результат превзошел все мои ожидания и рогатка стала невероятно мощной. А т.к. эспандер - штука большая, то бо
льшая часть материала осталась нетронута и лежала в ящике, дожидаясь своего часа.
После использования этого латекса в качестве прокладки между приводами и платой, приводы встали как влитые, не сдвигаясь ни на миллиметр.
Соответственно, для реализации такой конструкции необходимо две платы, у которых все компоненты сосредоточены на внешних сторонах.
Раз у нас такое внезапное увеличение полезной площади, на нижней плате можно разместить зарядное устройство для аккумулятора, разъем мини-USB, светодиоды индицирующие зарядку, а, заодно, вынести туда BT-модуль, чтобы его не накрывал аккум и не мешал связи.
Таким образом, были разработаны две печатные платы, TOP и BOTTOM. На нижней расположено то, о чем я уже сказал, а на верхней располагается весь «мозг» и, так сказать, пищеварительная система робота - микроконтроллер, акселерометр, конвертер и регулятор питания обвязкой и, конечно - пьезо-пищалка.
Схема верхней платы выглядит так:
Схема питания
Мозг
Чтобы USB не гнал свои пять вольт куда не надо, входы ON конвертера U1 и регулятора U2 соединены, подтянуты к питанию и выведены на контакт J1 на краю платы - подача туда уровня GND переведет входы и выходы конвертера в состояние высокого импеданса, по сути разорвав схему и позволив току USB течь туда, куда ему и положено - в схему зарядки аккумулятора. В остальном схема подключения конвертера типовая, из даташита.
Акселерометр U4 подключен к шине I2C контроллера без подтягивающих резисторов - да, они необходимы для работы шины, но в даташите уверяют, что both the lines are connected to Vdd_IO through a pull-up resistor embedded inside the LIS331DL
. Как ни странно, больше никакой информации о них нет, номинала я так и не узнал (а в выключенном состоянии он не замеряется, видимо, они отключены от шины транзисторами). Так что пришлось слепо положиться на даташит. Надо сказать, в этом я не прогадал - акселерометр в самом деле отлично работает без дополнительных резисторов.
Однако, с ним был связан другой крупный фак-ап, о котором читайте в разделе «Тестирование и фак-апы».
Помимо акселерометра к контроллеру подключен светодиод D1, призванный визуально привлекать внимание кота и служить средством индикации а также делитель напряжения на резисторах R4 и R5, который подключен ко входу АЦП контроллера через сглаживающий конденсатор C5. Этот делитель приводит напряжение аккумулятора к диапазону, который способен измерить АЦП, давая возможность судить об уровне заряда батареи.
С этими резисторами, кстати, был связан мини-фак-ап. Дело в том, что я предполагал наличие в моем контроллере встроенного опорного напряжения (порядка 1.2 вольта), как в старших моделях. Но, как оказалось, в моделях в корпусе QFN36, встроенный источник отсутствует, а вход REF внутри корпуса замкнут на напряжение питания (3.3В), так что резисторы, которые при 4.2В аккуму давали 1В на выходе пришлось менять на те, что дают 3В.
Пищалка LS1, благодаря свое пьезо сущности может быть подключена напрямую к пину контроллера - ее потребление очень мало, на резонансной частоте ее импеданс составляет несколько сотен ом. Единственная потенциальная проблема состоит в том, что она может работать и в обратном направлении, то есть генерировать напряжение при деформации (ударах), для чего обычно ставят защитные диоды или резисторы. Однако, по результатам эксперимента, напряжение при ударе средней силы не превышало 1.5В, с чем вполне могут справиться и защитные диоды выхода контроллера, так что я рискнул не поставить дополнительной защиты.
Выходы со встроенного ШИМ-генератора контроллера выведены на контакты J8 и J9 для управления приводами. В качестве дополнительной (и, как выяснилось, не лишней) меры по снижению потребления в неактивном режиме, контакты J11 и J12, к которым подключается GND приводов, отрезаны от земли схемы силовым транзистором Q1 - подача высокого уровня на затвор дарует приводам силу земли и позволяет току течь через их внутренности. Как выяснилось, даже при нулевом ШИМ-сигнале, управляющая схема приводов все равно подает на них какое-то напряжение и потребление возрастает на 10 мА по сравнению с полностью отключенными.
Важным моментом оказался выбор отладочного интерфейса. В условиях сильно ограниченных габаритов, разумеется, хотелось обойтись минимальным количеством проводов. Но информация о том, какое же количество минимально оказалась весьма противоречива. После вдумчивого гугления и экспериментов я остановился на интерфейсе SWD, выведя только пины SWDIO и SWCLK. С этим связан еще один фак-ап, описанный в разделе «тестирование и фак-апы». Но если коротко - да, этих двух пинов в самом деле хватает для отладки в большинстве случаев .
Нижняя плата устроена совсем элементарно:
Нижняя плата
На ней размещены две включенные в параллель линейные микросхемы зарядки Li-Pol(Li-Ion) аккумуляторов, LTC4054 от Linear Technology. Это самый простой способ зарядить одноячейные литий-полимеры и литий-ионы, известный мне, если не страшен довольно низкий КПД (который обусловлен тем, что микросхемы линейные).
Они превосходно встают в параллель, в некоторых китайских схемах видел аж четыре аналогичные микрухи параллельно, обеспечивающие большой ток заряда. В отдельности каждая может дать до 800 мА, но это только в том случае, если вы хотите пожарить на них яичницу. При нагрузке выше 500 мА и полностью разряженном аккуме, микросхема начинает греться так, что невозможно держать палец. Т.к. в нее встроена схема защиты по температуре, это, в принципе, не страшно - она автоматом сбросит ток нагрузки, когда разогреется до 120 градусов. Но все же это не очень приятно, поэтому я предпочел поставить две штуки, благо место позволяло. Ток заряда задается резисторами R4 и R5, подобранными мной так, чтобы он составлял порядка 500 мА на двоих (то есть по 250 мА на каждую), при котором они не так греются.
Кроме этого на плате расположен разъем мини-USB (J2), транзистор Q1, подтягивающий вход ON схемы питания на верхней плате к земле, при подключении USB и модуль связи Bluetooth.
Платы я заказывал в «Резоните», вышло вполне бюджетно - я заплатил меньше 2000р за панель из шести различных плат, на которой были и две платы от кошкобота.
Верхняя и нижняя платы имеют размеры 32х26 мм. После сборки (и до фикса фак-апов) верхняя плата выглядит так:
А нижняя вот так:
Пришло время написать тестовую прошивку!
Тестовая прошивка
Итоговую прошивку я планирую сделать на базе FreeRTOS (чтобы не тратить время на реализацию нормальной многозадачности, блокирующих очередей и прочего), но для теста я набросал небольшую прошивку, инициализирующую всю периферию и позволяющую управлять ею простыми командами с компьютера. Пройдемся по инициализациям:
Тактирование и GPIO
Код
void InitRCC()
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2|RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1,ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
}
void InitGPIO()
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
//LED
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
//ADC
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
//Buzzer
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_2, Bit_RESET);
//Servo
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
//Servo On/Off
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, Bit_RESET);
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
//Accel
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
//UART & BT Control
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_8, Bit_RESET);
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}
Здесь все просто - подаем такт на всю нужную нам периферию, то есть на порты ввода-вывода, АЦП, UART, пару таймеров (один для пищалки, второй для ШИМа приводов) и на I2C. Потом - настраиваем все GPIO.
Пищалка
Код
void InitBuzzer()
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 4;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 1800;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC3Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
TIM_OC3PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
Настройка сводится к инициализации таймера, выход которого подключен к пищалке. Настраиваем ШИМ, но, по сути, именно ширину импульса менять не будем, выставив ее всегда на 50%. Вместо этого будем менять делитель, заставляя таймер поменять частоту импульсов, чтобы пищать другим тоном.
Так как системная частота составляет 36 МГц, выставим период 4 (все равно нам не нужно много разрядом ШИМа), а предделитель 1800, получив частоту 4КГц.
Приводы
Код
void InitServo()
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFF;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0xB0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}
Делаем то же, что и с пищалкой, но уже затачиваем на вывод ШИМа с нужными приводам параметрами, а именно - частота около 50 Гц, и достаточно большое число разрядов, чтобы управлять скоростью с большой точностью. Таким образом, предделитель задаем равным 176, а период - 4096, что дает нам примерно 50 Гц и 12 разрядов ШИМа.
Акселерометр и Bluetooth
Код
void InitAccel()
{
I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;
I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 200000;
I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);
I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}
void InitBT()
{
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}
Тут все просто - для акселерометра просто включаем I2C на скорость 200КГц (хотя можно и больше и меньше, аксель позволяет), а Bluetooth для нас обычный UART, который мы включаем на стандартные 9600 и заодно настраиваем интеррапт приема, в котором будем обрабатывать команды.
Далее напишем код обработки прерывания UART. Безусловно, он не самый удачный, не помешает хотя бы проверять контрольную сумму, но для теста сойдет. Чтобы не тратить время на очередь команд, сделаем ее равной одной команде - это все равно влияет только на то, как часто можно кидать команды контроллеру и не бояться, что он их пропустит.
Код получения команд
Код
#define OPCODE 0
#define LENGTH 1
#define PAYLOAD 2
enum CommandStates {CS_DONE, CS_RECEIVING, CS_EXECUTING};
enum CommandCodes {CC_TEST=0x01, CC_SERVO_STATE, CC_SET_SERVO1_DS, CC_SET_SERVO2_DS, CC_GET_ACCEL_REG, CC_SET_ACCEL_REG, CC_GET_BATTERY, CC_LED_STATE, CC_BUZZER, CC_INVALID};
enum ErrorCodes {EC_NONE, EC_INVALID_CMD, EC_MAX_LEN_EXCEEDED};
enum ReplyCodes {RC_NONE, RC_EXECUTED, RC_TEST, RC_ACCELREG, RC_ERROR};
typedef struct
{
unsigned char Command;
unsigned char State;
unsigned char Length;
unsigned char Payload;
}CommandDescriptor;
CommandDescriptor Cmd;
void InitCmd(CommandDescriptor *Comm)
{
Comm->Command=0;
Comm->Length=0;
unsigned char i;
for(i=0;i
Для начала объявим структуру команды, которая будет состоять из, собственно, самой команды, состояния (выполнена, в процессе получения, в процессе обработки), длины пакета (включая уже перечисленные два поля) и полезной нагрузки, которая может составлять от 0 до 8 байт.
Опишем вспомогательную функцию для инициализации этой структуры и еще одну - для заполнения ее значениями Invalid Command.
Теперь опишем прерывание. Получив один байт по UART, посмотрим, что там происходит с текущей командой (той самой, единственной в «очереди») -
если ее статус говорит нам, что исполнение было завершено, то проверим, правильный ли мы получили опкод, если нет - сообщим об ошибке, если да - начнем получать новую команду, поставив ей состояние CS_RECEIVING .
Если же мы в процессе получения, контролируем длину того, что получаем - чтобы не превысила 10 байт (2 байта заголовка и пейлоад) и заявленную во втором байте заголовка длину. Если что-то не так - сообщаем об ошибке, иначе - говорим, что команда получена и перешла в состояние CS_EXECUTING . С этого момента мы игнорируем все, что нам придет, пока кто-нибудь не выставит этой команде состояние CS_DONE .
Если бы у нас была настоящая очередь, можно было бы кинуть полученную команду в нее и пока принимать следующие.
Вот, собственно, и все - основная функция прошивки просто инициализирует периферию, включает Bluetooth и ждет, пока у команды появится состояние CS_EXECUTING . После этого она обрабатывает команду (этот код приводить не буду, там просто большой switch по опкодам с занесением байт из пейлоада в регистры) и выставляет ей статус CS_DONE .
void main()
Код
int main(void)
{
InitCmd(&Cmd);
InitHardware();
DisableServos();
EnableBT();
EnableLED();
while(1)
{
if(Cmd.State==CS_EXECUTING)
{
ProcessCmd(&Cmd);
InitCmd(&Cmd);
}
}
}
Модификация приводов под постоянное вращение и вопросы конструкции
Так как приводы изначально рассчитаны на поворот в пределах градусов 170, их нужно немножко проапгрейдить, чтобы использовать их как двигатели робота. Из-за их маленького размера это по началу может оказаться не очень просто.В целом, все приводы построены одинаково, независимо от размера - у них есть мотор, у них есть редуктор, выходной вал которого сидит на одной оси с переменным резистором, с которого схема управления снимает информацию о текущем положении вала.
Резистор включен как делитель между питанием и землей. На одной из шестерней на выходном валу стоит стопор, не позволяющий серве крутиться дальше положенного, а также сам потенциометр выступает таким стопором. Конкретно в этих приводах все достаточно тривиально - стопор - вырост на выходном валу, достаточно большой, поэтому проще срезать не его, а то - во что он упирается, выступ внутри крышки привода
Этот выступ легко выплавляется паяльником, главное потом удостовериться, что не осталось кусков пластика, которые будут мешать повороту.
Вал потенциометра содержит на конце небольшой срез, за счет которого он не проворачивается в шестерне выходного вала. Очень кстати он находится в небольшом углублении, в которое эта шестерня заходит. Поэтому просто срезаем/сплавляем паяльником его до тех пор, пока не останется следа этого среза. Все, шестерня спокойно крутится, не трогая переменный резистор.
Смазываем все дополнительно, т.к. китайцы жалеют смазки, закрываем верхнюю крышку. Осталось совсем немного.
Открываем нижнюю крышку, видим управляющую схему, подключенную к мотору и потенциометру.
Безжалостно отрезаем провода от потенциометра, убираем их из сервы, чтобы не мешались. К тем контактным площадкам, к которым они шли, паяем два одинаковых маленьких СМД-резистора, суммарным сопротивлением порядка 5 КОм (если чуть больше или чуть меньше - не страшно), формируя постоянный делитель. Я припаял два по 2.4КОма.
Так как моторы будут лежать зеркально относительно друг-друга, у одного из них еще и меняем местами провода, идущие к мотору. Можно, конечно, это софтварно делать, но железно оно приятнее.
Все, теперь серва всегда будет считать, что его вал находится ровно посередине. И подав ШИМ-сигнал со значением скважности больше среднего, выходной вал начнет вращаться в одну сторону, а при меньшем - в другую. И чем сильнее отстоит поданное значение от среднего, тем быстрее вращается вал.
Тестирование и фак-апы
Заказчик тестирует прототип устройства
Так как видео и фото устройства я уже демонстрировал выше, данный раздел будет в основном содержать текстовое описание граблей, на которые я наступил. Некоторые из них произошли по моей вине, некоторые от меня не зависели.
Фак-ап с питанием
Самый первый фак-ап, повлекший за собой больше всего доработок в схеме. Связан с буст-конвертером. При первом запуске устройства (пока без приводов), я ничего не заметил, контроллер завелся и прошился. 5В присутствовали на выходе конвертера. Пришло время проверить приводы, вот тут-то и вылезли грабли. При подключении приводов конвертер моментально отрубался - срабатывала его встроенная защита, отключающая микросхему, в случае, если выходное напряжение упадет более чем на 10 процентов ниже заданного (5В). Отладка заняла у меня весьма продолжительное время, включая сидение за осциллографом, замену самой микросхемы конвертера на аналогичную, тестирование разных дросселей и т.п.Что интересно, не помогали даже емкости, навешенные около приводов, поэтому я решил, что проблема в разводке платы либо в дросселе. Замеры показали, что конвертер перестает работать при нагрузке больше 90 мА, причем даже в случае чисто-резистивной нагрузки! При этом КПД был порядка 40 процентов, понятное дело, для импульсного конвертера это неприемлемо.
Причина оказалось невероятно банальной - похоже, что вместо выходного керамического конденсатора в 10 мкФ я по ошибке впаял такой же на 1 мкФ. При такой выходной емкости микросхема никак не могла выйти на режим, и навешенные на соплях большие конденсаторы ей в этом совсем не помогали.
Слегка зачистив плату от маски, я впаял по два 22 мкФ керамических конденсатора на выход конвертера, на его вход и прямо перед сервами.
Заодно поставил между выходом конвертера и сервами сглаживающий дроссель (точнее, ferrite bead), BLM41PG471SN1 , рассчитанный на 2А.
К тому же, как оказалось, место на плате позволяет впихнуть туда один танталовый конденсатор в корпусе «А», на 150 мкФ, прямо рядом с выходом конвертера.
На самом деле, для корректной работы хватило бы одного 22 мкФ конденсатора на выходе и одного на входе, но раз уж место позволяло, я решил перестраховаться.
Результат был просто великолепен, выходные 5В даже под нагрузкой были почти не зашумлены, а КПД конвертера, по моим замерам (я включил амперметры во входную и выходную цепь), достиг 93 процентов, что само по себе весьма хороший показатель.
Вывод из фак-апа:
Проверять, какие элементы впаиваешь в плату. Импульсные конвертеры - штука чувствительная, и навешанные на соплях компоненты не улучшат ситуацию, даже если направление мысли (недостаточная выходная емкость) было правильное.
Сопротивление щупов и шунта мультиметра, емкость и индуктивность макеток искажают картину, поэтому тестировать такие вещи надо именно в итоговой конфигурации, а не на соплях.
Фак-ап с акселерометром
Геморройный фак-ап, опять из-за невнимательности. При тестировании периферии выяснилось, что акселерометр не отвечает. Т.к. он сидит на шине I2C, общение начинается (не считая стартового импульса) с передачи адреса устройства. После чего оно должно ответить импульсом подтверждения, если адрес совпал. Импульса не было.Так как корпус акселерометра был самым мерзким для пайки (3х3 мм и на пузе микросхемы отсутствовала «земляная» площадка, из-за чего она отвратительно центрировалась), я решил, что проблема в пайке и очень много времени провел перепаивая его по несколько раз. Не помогло.
Потом я решил, что обещанные встроенные резисторы оказались-таки недостаточными, зачищал плату и впаивал свои. Не помогло.
Много раз проверял код и сверял адрес с даташитом. Не помогло.
В итоге каким то чудом подал адрес, отличающийся от заданного на единичку (в одном из разрядов бинарного представления адреса). Помогло.
Начал копать даташиты, потому что такого просто не могло быть - чтобы устройство отвечало на другой адрес. И выяснил великолепную вещь.
Оказывается, есть две модификации акселерометра: и .
Одинаковый корпус. Одинаковые даташиты. Одинаковая карта регистров. Прост второй может мерить не 2g/4g/8g, а первый - только 2g/4g.
И их адреса отличаются на единичку. Добрый гугл, когда я начинал вводить LIS133 автоматом подсказывал мне «LIS133DLH», разницы в даташитах я сходу не увидел, вот и долбил аксель чужим адресом.
Вывод из фак-апа: Проверять название элемента в даташите. Если оно отличается от ожидаемого хотя бы на одну букву - обязательно узнать, за что эта буква отвечает. Чаще всего буквы в конце не важны для разработки и относятся к типу поставки компонента, но бывает и как с этим акселерометром.
Фак-ап с Bluetooth-модулем
Ну этот фак-ап больше на совести китайцев. Оказывается, они выпускают несколько модификаций этого модуля, HC-04, HC-05, HC-06 - железом они не отличаются, отличаются прошивкой. При желании можно перешить один на другой.Мне пришел HC-04 вместо HC-05, они отличаются тем, что у 04 прошивка попроще, и, если 05 переводится в режим команд подачей сигнала на один из его GPIO, и 05 может работать как мастером, так и слейвом, то 04 всегда работает только слейвом (либо только мастером, но я не видел в продаже таких модулей), изначально находится в режиме приема команд и перестает на них реагировать после установки связи с мастером.
Плюс ни один из этих модулей не поддерживает энергосберегающего режима сна.
Поэтому оказалось, что выведенный мной сигнал перевода модуля в режим команд бесполезен, а также - что модуль постоянно жрет от 20 до 40 мА пока ищет мастера.
Решением стало перекидывание бесполезного в данной ситуации сигнала управления на пин RESET модуля. Теперь при подаче туда низкого уровня модуль уходит в состояние RESET и перестает потреблять.
Вывод из фак-апа: Восток - дело тонкое. Китайские модули это лотерея, даташиты надо читать внимательно, проверять, что они тебе высылают - тоже.
Фак-ап с отладочным интерфейсом
Не то чтобы фак-ап, но информация к размышлению. Да, для прошивки и отладки в самом деле хватает двух сигнальных пинов SWD - тактового и данных. Однако, шиться не будет вообще никак (ST-LINKом во всяком случае), если пин программатора VAPP не подключен непосредственно к питанию контроллера. Программатор им тестирует напряжение и вообще довольно трепетно к нему относится, у меня почему-то не шилось даже когда я замыкал его на программаторский же источник 3.3В. Это, впрочем, не так страшно - ну подпаялся к одному из сглаживающих кондеров.Куда страшнее другое. Есть пин NRST , отвечающий, понятное дело, за резет контроллера. И в самом деле SWD может сбросить контроллер софтварно, так что в принципе, его можно не подключать. Но.
Грабли подкрались когда я тестировал режим сна. К сожалению, я не прочитал вот этих важных срок из рефмана СТМ32, раздел Debug support for low-power modes : The core does not allow FCLK or HCLK to be turned off during a debug session. As these are required for the debugger connection, during a debug, they must remain active.
Во время самого глубокого сна, режима Stand-By, тактирование отключается вместе с дебагом. А т.к. я для теста потребления просто вписал в мэин вход в стенд-бай, то я получил в итоге не шьющийся контроллер.
Связь между резетом и вот этим фактом простая - программатор умеет шить из-под резета, когда стенд-бай еще не активировался (а активируется он сразу же при включении при моей прошивке), только для этого он должен суметь перезагрузить контроллер, чего без пина NRST он сделать не мог.
Спасла меня, как ни странно, стандартная утилита от СТ, в которой был великолепный авто-режим, в котором программатор постоянно пытается обнаружить программируемый контроллер. Включив этот режим я начал проводком с GND, подпаянным к иголке, пытаться тыкнуть в еле выступающую из-под контроллера площадку резета. Удалось, программатор успел подхватить контроллер, до того как он опять заснул вечным сном и стереть прошивку.
Вывод из фак-апа: Засыпая, думай о том, как будешь просыпаться. Ну и выводить резет нужно, хотя бы на миллиметр подальше корпуса, чтобы можно было хоть иголкой ткнуться.
Фак-ап с приводами
Самый печальный фак-ап, и он не на моей совести. Приводы, простите, говно. Они рассчитаны исключительно на свой серво-режим, причем так, чтоб проводить бо льшую часть времени в статичном положении. При нагрузке греются нещадно. Более того, греются даже если к ним ничего не приделано, просто крутится вал. Поэтому в режиме постоянного вращения они работать не могут - после двух минут, даже при пониженных скоростях и отличной смазке внутри (ничего не заедает, ход плавный) они начинают натурально плавиться.
Плавится корпус, и, что хуже всего - шестерни, особенно выходная. После этого привод клинит и помогает только замена. Так что кошкобот в том виде, в котором он представлен на фото и видео может работать только 1-2 минуты с перерывами. Посему пришлось его разобрать и заменить приводы на более здоровые, более медленные и более жрущие MG90, с металлическими шестернями, которые способны неспешно крутиться бесконечно долго.
Так что теперь он не влезает в шарик (даже в большой, не говоря уж о малом) и весьма медленно ездит.
Коту, правда, по-прежнему интересен.
Вывод из фак-апа: Ну какой тут может быть вывод, это был тестовый образец, как раз чтобы такие вещи выявить. Вывод о приводах - мелкие приводы юзать с большой осторожностью. Возможно, они потянут сверхлегкого и сверхмелкого хекса или квадропода, попробую собрать такого, когда будет время.
Общие выводы по работе:
В целом - опыт полезный. И коту нравится даже несмотря на новые приводы, с которыми кошкобот стал больше и медленнее. Особенно, когда он пищит)
Собирающим подобную вещь могу сказать еще вот что - датчик поворота (аксель к нему не относится) - вещь обязательная, потому никакой калибровкой и постоянными значениями нельзя добиться одинаковой скорости двух разных приводов и колес на них. Поэтому робот будет ехать по окружности. При хорошей калибровке - по очень большой окружности, так что это будет заметно только при поездке от стены до стены. При плохой - будет заметно раньше. Так что в следующую версию я планирую поставить более хитрый датчик. Ну и более подходящие приводы, конечно.
Еще есть мысль попробовать организовать охлаждение моторчиков в мелких приводах, вместе с пониженными оборотами этого вполне может хватить для корректной работы (ведь сейчас теплоотвод от них отвратительный). Если получится - ждите следующей статье, о кошкоботе v1.5, с охлаждаемыми приводами и на FreeRTOS!
На этом у меня все, собирайте роботов и развлекайте своих котэ!
Источник:
Обычно, в статьях, я стараюсь излагать материал в порядке его разработки, но думаю, что это не тот случай. Поэтому, пропустим этапы проектирования принципиальной электрической схемы, разводки печатной платы и всего прочего. На рисунке 1 смотрим какое «безобразие» у меня получилось.
С первого взгляда кажется просто нагромождением железа, электроники и проводов. Наверное, это потому, что в ход пошли куски разнородных материалов. Давайте разбираться.
Теперь все по порядку. На микроконтроллер Attiny2313 с двух инфракрасных датчиков поступает сигнал о препятствии (логическая единица или нуль). Затем, согласно, прошивки микроконтроллер управляет микросхемой драйвер двигателя L293D (ток управления до 1 Ампера). На рисунке 3 представлена фотография перевернутого робота.
Основой конструкции самодельного робота является согнутая в трапецию металлическая полоска. Угол изгиба порядка 120°. Принципиально важно, чтобы с обеих сторон получился одинаковый изгиб, иначе робот будет двигаться не прямолинейно. Хотя, с другой стороны, что плохо сделал механик или электроник, иногда может загладить программист, скажем, с помощью ШИМ добиться прямолинейного движения робота
Из курса школьной геометрии все мы знаем, что плоскость образуется или тремя точками или прямой и точкой в пространстве. Третей точкой является свободно вращающееся роликовое колесо.
Приемники ИК-датчиков, фототранзисторы находятся снизу, дабы снизить засветку и свести к минимуму ложное срабатывание. Сами ИК-датчики крепятся на подвижных шарнирах, что позволяет производить настройку зоны сканирования. Интересная, кстати, реакции была моего кота на ползающего робота в коридоре?. Кот у меня черный. ИК-датчики я настраивал серого цвета обои, поэтому робот поворачивал перед котом почти в самый последний момент, а кот отпрыгивал на шаг назад с громким шипением.
Следующий моддингом для роботы стали ИК-датчики на его пузе, позволяющие роботу следовать по черной линии, нарисованной на белой бумаге маркером. Для реализации потребовалось три датчика и компаратор на микросхеме LM339N, чтобы разгрузить микроконтроллер. Существенным минусом оказалось, необходимая предварительная настройка датчиков подстроечными резисторами в зависимости от освещения в помещении.
P.S. Наградой за потраченное время на создание бессмысленного устройства, пожалуй, будет наглядность работы микроконтроллера и память которая будет пылиться на полке, до тех пор пока ей может быть не заинтересуется чей то ребенок.
Решил плавно перейти к динамичным движущимся моделям. Это проект маленького самодельного робота на ИК-управлении, собранного из простых и доступных для приобретения деталей. В основе - два микроконтроллера. Передачу с пульта ДУ обеспечивает PIC12F675 , а приёмная часть к контроллером моторчиков реализована на PIC12F629 .
Схема робота на микроконтроллере
С цифровой частью всё вышло гладко, проблема была только в "двигательной установке" - маленьких редукторах, которые сделать в домашних условиях очень проблематично, поэтому пришлось развить идею "виброжуков ". Управление микромоторами осуществляется через усилительные транзисторные ключи на BC337. Они заменимы на любые другие небольшие транзисторы n-p-n с током коллектора от 0,5 А.
Размеры получились очень маленькие - на фото сравнение его с монетой и ещё возле спичечного коробка. Глаза робота сделаны из сверхярких светодиодов, засунутых в корпус небольших электролитических конденсаторов.
Обсудить статью МАЛЕНЬКИЙ САМОДЕЛЬНЫЙ РОБОТ
Выбор микроконтроллера для создания вашего робота. Сначала нужно разобраться с понятием, что такое микроконтроллер и что он делает?
Микроконтроллер — это вычислительное устройство, способное выполнять программы (то есть последовательность инструкций).
Он часто упоминается как “мозг” или “центр управления” робота. Как правило, микроконтроллер отвечает за все вычисления, принятие решений и коммуникации.
Для того, чтобы взаимодействовать с внешним миром, микроконтроллер имеет ряд штырей или выводов для электрического распознавания сигнала. Так сигнал может быть включен на максимум (1/С) или минимум (0/выкл) с помощью инструкции программирования. Эти выводы также могут быть использованы для считывания электрических сигналов. Они поступают с датчиков или других приборов и определяют, являются сигналы высокими или низкими.
Большинство современных микроконтроллеров может также измерять напряжение аналоговых сигналов. Это сигналы, которые могут иметь полный диапазон значений вместо двух четко определенных уровней. Происходит это с помощью аналогового цифрового преобразователя (АЦП). В результате микроконтроллер может присвоить сигналу числовое значение в виде аналогового напряжения.Это напряжение не является ни высоким, ни низким и, как правило, находится в диапазоне 0 — 10 вольт.
Что может делать микроконтроллер?
Хотя микроконтроллеры могут показаться довольно ограниченными, на первый взгляд, многие сложные действия можно выполнять, используя контакты высокого и низкого уровня сигнала для программирования алгоритма. Тем не менее создавать очень сложные алгоритмы, такие как интеллектуальное поведение или очень большие программы, может быть просто невозможно для микроконтроллера из-за ограниченных ресурсов и ограничения в скорости.
Например, для того, чтобы заставит мигать свет, можно запрограммировать повторяющуюся последовательность. Так микроконтроллер включает высокий уровень сигнала, ждет секунду, превращает его низкий, ждет еще секунду и сначала. Свет подключен к выходному контакту микроконтроллера и в циклической программе будет мигать бесконечно.
Аналогичным образом, микроконтроллеры могут быть использованы для контроля других электрических устройств. В первую очередь таких как приводы (при подключении к контроллеру двигателя), устройства хранения (например, карты SD), WiFi или bluetooth-интерфейсы и т. д. Как следствие этой невероятной универсальностью, микроконтроллеры можно найти в повседневной жизни.
Практически в каждом бытовом приборе или электронном устройстве используется, по крайней мере, один микроконтроллер. Хотя часто используется и несколько микроконтроллеров. Например, в телевизорах, стиральных машинах, пультах управления, телефонах, часах, СВЧ-печах и многих других устройствах.
В отличие от микропроцессоров (например, центральный процессор в персональных компьютерах), микроконтроллер не требует периферийных устройств. Таких как внешняя оперативная память или внешнее устройство хранения данных для работы. Это означает, что хотя микроконтроллер может быть менее мощным, чем их коллеги ПК. Почти всегда разработка схем и продуктов, основанных на микроконтроллерах значительно проще и дешевле.Потому что требуется очень мало дополнительных аппаратных компонентов.
Важно отметить, что микроконтроллер может выдавать только очень небольшое количество электрической энергии через свои выходные контакты. Это означает, что к микроконтроллеру не получиться подключить мощный электродвигатель, соленоид, большое освещение, или любую другую большую нагрузку напрямую. Попытка сделать это может вывести контроллер из строя.
Какие существуют более специализированные функции микроконтроллера?
Специальное оборудование, встроенное в микроконтроллеры позволяет этим устройствам сделать больше, чем обычный цифровой ввод/вывод, базовые расчеты и принятие решений. Многие микроконтроллеры с готовностью поддерживает наиболее популярные протоколы связи, такие как UART (RS232 или другой), SPI и I2C. Эта функция невероятно полезна при общении с другими устройствами, такими как компьютеры, датчики, или другие микроконтроллеры.
Хотя эти протоколы можно реализовать вручную, всегда лучше иметь выделенное встроенное оборудование, которое заботится о деталях. Это позволяет микроконтроллеру сосредоточиться на других задачах и обеспечивает чистоту программы.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП), используются для преобразования аналоговых сигналов напряжения в цифровые. Там количество пропорционально величине напряжения, и это число может затем использоваться в программе микроконтроллера. Для того, чтобы выходное промежуточное количество энергии отличается от высокого и низкого, некоторые микроконтроллеры имеют возможность использовать широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Например, этот способ позволяет плавно изменять яркость свечения светодиода.
Наконец, в некоторые микроконтроллеры интегрирован стабилизатор напряжения. Это достаточно удобно, так как позволяет микроконтроллеру работает с широким диапазоном напряжения. Поэтому вам не требуется обеспечивать необходимые значения напряжений. Это также позволяет легко подключать различные датчики и другие устройства без дополнительного внешнего регулируемого источника питания.
Аналоговые или цифровые?
Какие нужно использовать входные и выходные сигналы зависит от поставленной задачи и условий. Например, если у вас стоит задача просто что-то включить или выключить, то вам достаточно чтобы сигнал на входном контакте микроконтроллера был цифровой. Двоичное состояние переключателя 0 или 1. Высокий уровень сигнала может быть 5 вольт, а низкий 0. Если же вам нужно измерить, например, температуру, то нужен аналоговый входной сигнал. Далее АЦП на микроконтроллере интерпретирует напряжение и преобразует его в числовое значение.
Как программировать микроконтроллеры?
Программирование микроконтроллеров стало более простым благодаря использованию современных интегрированных сред разработки IDE с полнофункциональными библиотеками. Они легко охватывают все наиболее распространенные задачи и имеют много готовых примеров кода.
В настоящее время микроконтроллеры могут быть запрограммированы на различных языках высокого уровня. Это такие языки как C, C++, С#, Ява, Python, Basic и другие. Конечно, всегда можно написать программу на ассемблере. Хотя это для более продвинутых пользователей с особыми требованиями (с намеком на мазохизм). В этом смысле, любой должен быть в состоянии найти язык программирования, который лучше всего соответствуют его вкусу и предыдущему опыту программирования.
Программировать микроконтроллеры становится еще проще, так как производители создают графические среды программирования. Это пиктограммы, которые содержат в себе несколько строк кода. Пиктограммы соединяются друг с другом. В результате создается программа визуально простая, но содержащая в себе большое количество кода. Например, одно изображение может представлять управление двигателем. От пользователя требуется только разместить пиктограмму там, где необходимо и указать направление вращения и обороты.
Разработанные микроконтроллерные платы достаточно удобны в эксплуатации. И их проще использовать долгое время. Они также обеспечивают удобные питание от USB и интерфейсы программирования. Следовательно, есть возможность подключаются к любому современному компьютеру.
Почему не использовать стандартный компьютер?
Очевидно, что микроконтроллер очень похож на процессор компьютера. Если это так, почему бы просто не использовать компьютер для управления роботом? Итак, что выбрать настольный компьютер или микроконтроллер?
По сути, в более продвинутых роботах, особенно тех, которые включают сложные вычисления и алгоритмы, микроконтроллер часто заменяются (или дополняются) стандартным компьютером. В настольном компьютере установлена материнская плата, процессор, оперативная память устройства (например, жесткий диск), видеокарта (встроенная или внешняя).
Дополнительно есть периферийные устройства, такие как монитор, клавиатура, мышь и т. д. Эти системы обычно дороже, физически больше, потребляют больше энергии. Основные отличия выделены в таблице ниже. Кроме этого они часто имеют больший функционал чем необходимо.
Как выбрать микроконтроллер правильно?
Если вы изучаете робототехнику, то вам понадобится микроконтроллер для любого робототехнического проекта. Для новичка, выбор правильного микроконтроллера может показаться сложной задачей. Особенно учитывая ассортимент, технические характеристики и области применения. Есть много различных микроконтроллеров доступны на рынке:
- Ардуино
- BasicATOM
- BasicX
- Lego EV3
- и многие другие
Для того чтобы правильно выбрать микроконтроллер задайте себе следующие вопросы:
Какой микроконтроллер самый популярный для моего приложения?
Конечно, создание роботов и электронных проектов в целом-это не конкурс популярности. Очень хорошо если микроконтроллер имеет большую поддержку сообщества. И успешно используется в похожих или даже одинаковых ситуациях. В результате это может значительно упростить этап проектирования. Таким образом, вы могли бы извлечь пользу из опыта других пользователей, как среди любителей, так и среди профессионалов.
Участники сообществ конструкторов роботов делятся друг с другом результатами, кодами, картинками, видео, и подробно рассказывают об успехах и даже неудачах. Все это является доступными материалами и возможностью получать советы от более опытных пользователей. Следовательно, может оказаться очень ценным.
Есть какие-то особенные требования у вашего робота?
Микроконтроллер должен быть способен выполнять все специальные действия вашего робота, чтобы функции исполнялись правильно. Некоторые особенности являются общими для всех микроконтроллеров (например, наличие цифровых входов и выходов, возможность выполнять простые математические действия, сравнение значений и принятие решений).
Возможно другим контроллерам требуется специфическое оборудование (например, АЦП, ШИМ, и коммуникационный протокол поддержки). Также требования к памяти и скорости, а также число выводов должны быть приняты во внимание.
Какие компоненты доступны для конкретного микроконтроллера?
Может быть ваш робот имеет специальные требования или необходим конкретный датчик или компонент. И это имеет решающее значение для вашего проекта. Следоваетльно выбор совместимого микроконтроллера, безусловно, очень важен.
Большинство датчиков и компонентов может взаимодействовать напрямую со многими микроконтроллерами. Хотя некоторые комплектующие предназначены для взаимодействия с конкретным микроконтроллером. Возможно они будут уникальными и несовместимыми другими типами микроконтроллеров.
Что нас ждет в будущем?
Цена на компьютеры резко идет вниз, и достижения в области технологии делают их меньше и эффективнее. В результате одноплатные компьютеры стали привлекательным вариантом для роботов. Они могут работать с полноценной операционной системой (Windows и Linux являются наиболее распространенными).
Дополнительно компьютеры могут подключаться к внешним устройствам, таким как USB-устройства, жидкокристаллические дисплеи и т. д. В отличие от своих предков, эти одноплатные компьютеры, как правило, значительно меньше потребляют электроэнергии.
Практическая часть
Для того чтобы выбрать микроконтроллер составим список нужных нам критериев:
- Стоимость микроконтроллера должна быть низкой
- Он должен быть простым в использовании и хорошо поддерживаться
- Важно наличие доступной документации
- Он должен программироваться в графической среде
- Он должен быть популярен и иметь активное сообщество пользователей
- Так как наш робот будет использовать два двигателя и различные датчики, то микроконтроллеру понадобится как минимум два порта для управления двигателями и несколько портов для подключения датчиков. Также должна быть возможность для расширения количества подключаемых устройств в будущем.
Этим критериям соответствует модуль EV3 из набора Lego Mindstorms EV3.
Обзор модуля EV3
В этой статье речь пойдет об интереснейших роботах, принцип построения которых заключается в использовании простых аналоговых цепей. Мы рассмотрим их особенности и основные принципы, а в конце попробуем сделать простого робота.
Это просто даже для начинающих радиолюбителей!
Одобряется при создании робота использовать как можно меньшее число электронных элементов и можно даже пустить в ход электронные отходы.
Важнейшим принципом конструирования BEAM-робота является подражание природе живых существ.
BEAM робот должен обладать свойствами, присущими живым существам. Конечно же речь не идет о таких признаках как дыхание, рост, размножение, потому что роботу это и не нужно. Зато питание, движение и развитие для данных роботов являются главным смыслом жизни.
Движение является неотьемлимым признаком (свойством) любого живого существа. Это самое простое, что можно реализовать в BEAM роботе. В моем понимании движение бывает самопроизвольное или обдуманное (намеренное). По отношению к умным роботам можно сказать, что от них требуются только обдуманные движения. Например у человека невольно могут придти в движение мышцы лица для передачи мимики (например из-за внезапно возникшей эмоции), а для робота любое ненужное движение ведет к нерациональной трате энергии.
Сложной, но интересной задачей стоит создание искусственного интеллекта BEAM робота, ведь по философии BEAM роботостроения в них не используются микроконтроллеры и микропроцессоры, а все осуществляется на аналоговых дискретных компонентах. Использование микроконтроллеров не запрещается, но базовые инстинкты робота должны быть основаны на использовании множества поведенческих моделей, связанных напрямую с сенсорами и датчиками при минимальном уровне обработки сигналов.
Питание
В большинстве случаев элементом питания является батарейка. Но если вы хотите создать робота с автономным питанием, то нужно использовать энергию излучения (например солнечный свет). Устройство, преобразующее солнечную энергию в постоянный электрический ток называется солнечная батарея, состоящая из полупроводниковых фотоэлементов. Солнечные батареи дают небольшое количество электрической энергии в режиме реального времени, но только в присутствии солнца. Для того чтобы не "умереть" при отсутствии солнца, целесообразно использовать аккумуляторные элементы для сохранения накопленной энергии на "черный день"...ну или на пасмурный день.
Адаптация и поведение
Робот на аналоговых схемах больше приспособлен к окружающей среде по сравнению с цифровым роботом, эффективность которого заканчивается при попадании в ситуацию не прописанную в программе его цифрового мозга. Иными словами цифровые роботы не могут решать задачи, ответы на которые не заложены в их программе.
Концепция BEAM-роботов, предложенная Марком Тилденом, состояла в том, что реакция на внешние факторы должна обеспечиваться на первом этапе самой машиной, без участия какого-либо "мозга", как это происходило и в живой природе, на пути от простейших к человеку. По этому же пути должно идти совершенствование и создание более сложных робосистем.
Виды
Существуют разные виды роботов BEAM, которые созданы для выполнения разных задач.
Аудиотропы
- реагируют на звуки.
Фототропы
- реагируют на свет.
Радиотропы
- реагируют на радиочастоты.
Термотропы
- реагируют на тепловое излучение.
Наиболее часто встречаются фототропы, поскольку поиск света является наиболее очевидной задачей для использующего солнечную энергию робота.
Модульная структура
Лично мне нравится идея создания BEAM робота из отдельных функциональных модулей, и руководствуясь принципом "от простого к сложному" можно будет развивать робота, добавляя все новые и новые модули. Каждый модуль сам по себе может работать отдельно, т.е. не будет использоваться централизованный мозг для обработки информации.
Шасси
Для того, чтобы робот мог двигаться, нужно сконструировать для него шасси.
Оно бывает разных типов: гусеничное, на колесах и даже на ногах...
Давайте рассмотрим их подробнее.
1. Гусеничное.
На рисунке представлено готовое шасси, которое не трудно найти в продаже. В большинстве случаев приходит в движение от пары мотор-редукторов.
Плюсы: хорошо поворачивает, не используя при этом рулевые механизмы; имеет повышенную проходимость; на него удобно монтировать электрические платы и отдельные компоненты.
Минусы: такое шасси трудно собрать дома самому, а стоимость составляет в среднем 90 долларов.
2. Шасси на колесах.
Плюсы: самый простой тип в отношении того, что его можно собрать дома самому (например из детского конструктора и пр.) или использовать игрушечную машинку.
Минусы: для осуществления поворота требуется рулевой поворотный механизм, а значит придется использовать дополнительный электродвигатель, что влечет за собой увеличение массы конструкции и повышение потребления электроэнергии.
3. Робот на ногах.
Это самый сложный тип.
Плюсы: их внешний вид приближен к живым существам, а движения выглядят более эффектно.
Минусы: используется большое количество механизмов, и очень часто такой робот нуждается в системе, обеспечивающей равновесие.
ДЕЛАЕМ САМИ!
Шасси для своего робота можете сделать так как показано на рисунке ниже.
За основу можно взять коробочку. Лучше из пластмассы, потому что это легкий материал. В этой же коробке удобно разместить элемент питания: аккумулятор, батарейки и т.п.
Учитывайте, что чем больше колеса, тем медленнее будет ехать робот (а может и не сдвинуться с места).
Второй вариант. Здесь использованы пластиковые хомутики для закрепления моторчиков.
Электромоторы можно взять со старой техники: магнитофоны, игрушки, дисководы и пр.
У меня дома имелись моторчики трех типов:
Выбор пал на верхний моторчик. Он показал хорошие характеристики по тяге и потреблению тока.
Также нам потребуется батарейный отсек, чтобы обеспечить питание. Питание можно организовать раздельное: для моторов (силовое) и для логической схемы.
Ниже представлена простая схема робота, который едет на свет фонарика.
Схема 1. "Идущий на свет".
В этой схеме использованы фотодиоды. Их выбираем по диапазону чувствительности, т.е. учитывая на какой свет робот будет идти. К примеру на свет от фонарика (видимый диапазон) или на лучик пульта от телевизора (инфракрасный диапазон). Если осветить фотоэлемент VD1, то будет вращаться Мотор 1, а если осветить фотоэлемент VD2, то будет вращаться Мотор 2. Учитывая это, моторы расположим так, чтобы когда VD1 освещен Мотор 1 поворачивал робота к свету.
А если моторы поменять местами, то робот наоборот будет отворачиваться от света.
Теперь рассмотрим фотоэлементы.
В качестве элементов, чувствительных к свету используются фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы и т.п. В интернете присутствует много информации по этим элементам, поэтому я опишу их вкратце.
1. Фоторезистор: в темноте он представляет собой высокоомный резистор, а при освещении светом его сопротивление падает пропорционально интенсивности света, проявляя линейную зависимость. Как правило воспринимают только видимый свет.
2. Фотодиод: полупроводниковый прибор, так же как и обычный диод имеет анод и катод.
Если применить прямое включение, то освещенный фотодиод будет вырабатывать напряжение на выводах.
При обратном включении сопротивление облученного фотодиода падает так же как у фоторезистора.
По диапазону света фотодиоды делятся на ИК-диоды и для видимого света. ИК-диоды воспринимают только инфракрасное излучение, но также хорошо реагируют на лампы накаливания и на Солнце.
3. Фототранзистор: отличается от обычного транзистора тем, что на область базы подается свет, который управляет усилением тока эмиттер-коллектор.
Без особого успеха в качестве светочувствительного элемента можно использовать светодиод. Он обладает слишком малой чувствительностью и усилить ее можно лишь с помощью дополнительной схемы.
BEAM-робот, который получился у меня
В своем роботе я использовал разные фотодиоды неизвестного происхождения. На видео видно, что чувствительность одного из них больше.
Один из фотодиодов реагирует на лучик пульта от телевизора.
Также вся "начинка" залита термоклеем.
Надеюсь у вас получится лучше и красивее!
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VT1, VT3 | Биполярный транзистор | КТ3102 | 2 | КТ315 | В блокнот | |
| VT2, VT4 | Биполярный транзистор | КТ361Б | 2 | КТ816 |