Создайте своего робота-черепаху !: 7 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Дополнительная информация о программном обеспечении и управлении доступна по этой ссылке:

hackaday.io/project/167074-build-your-own-turtlebot-3-backbone

Прямая ссылка на код:

github.com/MattMgn/foxbot_core

Почему именно этот проект?

Turtlebot 3 - идеальная платформа для изучения электроники, робототехники и даже искусственного интеллекта! Я предлагаю вам поэтапно создать своего собственного turtlebot с доступными компонентами, не жертвуя функциями и производительностью. Помня об одном: сохранить лучшее от первоначального робота, его модульность, простоту и огромное количество пакетов для автономной навигации и искусственного интеллекта от сообщества разработчиков ПО с открытым исходным кодом.

Этот проект - возможность для новичков получить представление об электронике, механике и компьютерных науках, а для более опытных - получить мощную платформу для тестирования и разработки алгоритмов искусственного интеллекта.

Что вы откроете для себя в этом проекте?

Вы скоро узнаете, какие важные механические и электронные детали необходимо сохранить в исходном боте, чтобы гарантировать полную совместимость.

Будет подробно описан весь процесс сборки: от 3D-печати деталей, сборки и нескольких компонентов, пайки и интеграции электроники до компиляции кода на Arduino. Это руководство завершится примером «привет, мир», чтобы познакомить вас с ROS. Если что-то кажется непонятным, не стесняйтесь задавать вопрос!

Запасы

Электроника:

1 одноплатный компьютер для запуска ROS, например Raspberry Pi или Jetson Nano

1 x Arduino DUE, вы также можете использовать UNO или MEGA

1 x Протоплата, которая подходит для распиновки Arduino DUE, доступна здесь

2 двигателя постоянного тока 12 В с энкодерами (опция 100 об / мин)

1 драйвер двигателя L298N

Регулятор 2 x 5 В

1 аккумулятор (например, 3S / 4S LiPo аккумулятор)

2 переключателя ВКЛ / ВЫКЛ

2 х светодиода

2 резистора по 470 кОм

Разъемы 3 x 4 контакта JST

1 x USB-кабель (по крайней мере, один между SBC и Arduino)

Датчики:

1 х датчик тока (опционально)

1 x 9 степеней свободы IMU (опционально)

1 x LIDAR (опционально)

Шасси:

16 модульных пластин Turtlebot (которые также можно напечатать на 3D-принтере)

2 колеса диаметром 65 мм (опция шириной 6 мм)

4 нейлоновых прокладки 30 мм (опционально)

20 пластин M3 (опционально)

Другие:

Провода

Винты и вставки M2,5 и M3

3D-принтер или кто-то, кто может распечатать детали для вас

Ручная дрель с набором таких сверл

Шаг 1: Описание

Этот робот представляет собой простой дифференциальный привод, который использует 2 колеса, непосредственно установленные на их двигателе, и роликовый ролик, который размещается сзади, чтобы предотвратить падение робота. Робот разделен на два слоя:

Нижний уровень: с силовой установкой (аккумулятор, контроллер двигателя и двигатели) и электроникой «низкого уровня»: микроконтроллер Arduino, регулятор напряжения, переключатели…

Верхний уровень: с электроникой «высокого уровня», а именно с одноплатным компьютером и лидаром

Эти слои связаны с печатными деталями и винтами, чтобы обеспечить прочность конструкции.

Электронная схема

Схема может показаться немного запутанной. Это схематический чертеж, на котором представлены не все провода, разъемы и макетная плата, но его можно прочитать следующим образом:

Ионно-полимерный аккумулятор 3S Litihum емкостью 3000 мАч питает первую цепь, он питает как плату контроллера двигателя (L298N), так и первый регулятор 5 В для энкодеров двигателя и Arduino. Эта схема включается переключателем со светодиодом, который указывает ее состояние ВКЛ / ВЫКЛ.

Эта же батарея питает вторую цепь, входное напряжение преобразуется в 5 В для питания одноплатного компьютера. Здесь также схема активируется с помощью переключателя и светодиода.

Дополнительные датчики, такие как LIDAR или камера, могут быть добавлены непосредственно на Raspberry Pi через USB или порт CSI.

Механический дизайн

Каркас робота состоит из 16 идентичных частей, которые образуют 2 квадратных слоя (ширина 28 см). Множество отверстий позволяют устанавливать дополнительные детали там, где это необходимо, и предлагают полную модульную конструкцию. Для этого проекта я решил взять оригинальные пластины TurtleBot3, но вы также можете распечатать их на 3D-принтере, поскольку их дизайн открыт.

Шаг 2: Сборка блока двигателя

Моторная подготовка

Первый шаг - обернуть вокруг каждого мотора поролоновую ленту толщиной 1 мм, чтобы предотвратить вибрацию и шум при вращении мотора.

Печатные части

Держатель двигателя состоит из двух частей, которые зажимают двигатель как тиски. 4 винта позволяют закрепить двигатель в держателе.

Каждый держатель состоит из нескольких отверстий, в которые вставляются вставки M3 для установки на конструкцию. Отверстий больше, чем нужно на самом деле, дополнительные отверстия можно использовать для крепления дополнительной детали.

Настройки 3D-принтера: все детали печатаются со следующими параметрами

• Сопло диаметром 0,4 мм
• 15% заполнение материала
• Слой высотой 0,2 мм

Колесо

Выбранные колеса покрыты резиной для максимального сцепления и обеспечения свободного качения. Зажимной винт удерживает колесо, установленное на валу двигателя. Диаметр колеса должен быть достаточно большим, чтобы преодолевать небольшие ступеньки и неровности грунта (эти колеса имеют диаметр 65 мм).

Фиксация

Когда вы закончите с одним моторным блоком, повторите предыдущие операции, а затем просто закрепите их в слое винтами M3.

Шаг 3: Переключатели и подготовка кабеля

Подготовка кабеля двигателя

Обычно мотор-энкодер поставляется с кабелем, включающим с одной стороны 6-контактный разъем, который соединяет заднюю часть печатной платы энкодера, и оголенные провода с другой стороны.

У вас есть возможность напрямую припаять их к вашей прототипной плате или даже к Arduino, но я рекомендую вам вместо этого использовать гнездовые штыревые разъемы и разъемы JST-XH. Таким образом, вы можете подключать / отключать их на своей прототипной плате и упростить сборку.

Советы: вы можете добавить расширяемую оплетку вокруг проводов и отрезки термоусадочной трубки возле разъемов, так вы получите «чистый» кабель.

Переключатель и светодиод

Для включения двух силовых цепей подготовьте 2 кабеля для светодиодов и переключателей: сначала припаяйте резистор 470 кОм к одному из контактов светодиода, затем припаяйте светодиод к одному из контактов переключателя. Здесь также вы можете использовать кусок термоусадочной трубки, чтобы спрятать резистор внутри. Будьте осторожны, чтобы припаять светодиод в правильном направлении! Повторите эту операцию, чтобы получить два кабеля переключателя / светодиода.

сборка

Соберите ранее сделанные кабели на соответствующей 3D-печатной детали. Используйте гайку для фиксации переключателя, светодиоды не требуют клея, достаточно приложить усилие, чтобы вставить его в отверстие.

Шаг 4: Подключение электронных плат

Макет плат

Протоплата, соответствующая разводке платы Arduino, используется для уменьшения количества проводов. В верхней части прототипной платы L298N уложен с женским заголовком Dupont (заголовки Dupont похожи на Arduino).

L298N подготовка

Изначально плата L298N не поставляется с соответствующим штекером Dupont, вам нужно добавить 9-контактный ряд под платой. Вам необходимо проделать 9 отверстий с помощью сверла диаметром 1 мм параллельно существующим отверстиям, как вы можете видеть на картинке. Затем соедините соответствующие контакты 2-х рядов с помощью паяльных материалов и коротких проводов.

Распиновка L298N

L298N состоит из 2 каналов, позволяющих управлять скоростью и направлением:

направление через 2 цифровых выхода, называемых IN1, IN2 для первого канала и IN3 и IN4 для второго

скорость через 1 цифровой выход, называемый ENA для первого канала и ENB для второго

Я выбрал следующую распиновку для Arduino:

левый двигатель: IN1 на контакте 3, IN2 на контакте 4, ENA на контакте 2

правый двигатель: IN3 на контакте 5, IN4 на контакте 6, ENB на контакте 7

Регулятор 5В

Даже если l298N обычно может обеспечивать 5 В, я все же добавляю небольшой регулятор. Он питает Arduino через порт VIN и 2 энкодера на двигателях. Вы можете пропустить этот шаг, напрямую используя встроенный регулятор 5V L298N.

Разъемы JST и распиновка энкодера

Используйте адаптеры разъема JST-XH с 4 контактами, каждый разъем затем подключается к:

• 5В от регулятора
• земля
• два цифровых входных порта (например: 34 и 38 для правого энкодера и 26 и 30 для левого)

Дополнительный I2C

Как вы могли заметить, на прототипной плате есть дополнительный 4-контактный разъем JST. Он используется для подключения устройства I2C, такого как IMU, вы можете сделать то же самое и даже добавить свой собственный порт.

Шаг 5: Motor Group и Arduino на нижнем уровне

Крепление мотоблоков

После того, как нижний слой будет собран с пластинами 8 Turtlebot, просто вставьте 4 винта M3 непосредственно во вставки для обслуживания моторных блоков. Затем вы можете подключить провода питания двигателя к выходам L298N, а ранее сделанные кабели - к разъемам JST на макетной плате.

Распределение мощности

Распределение мощности просто реализуется с помощью клеммной колодки с барьером. С одной стороны шлагбаума прикручен кабель с розеткой XT60 для подключения к LiPo батарее. С другой стороны прикручены два ранее припаянных кабеля для светодиодов / переключателей. Таким образом, каждая схема (двигатель и Arduino) может быть включена с помощью своего переключателя и соответствующего зеленого светодиода.

Кабельный менеджмент

Вам быстро придется разобраться с большим количеством кабелей! Чтобы уменьшить беспорядок, вы можете использовать «стол», ранее напечатанный на 3D-принтере. На столе зафиксируйте электронные платы двусторонним скотчем, а под столом пусть провода свободно протекают.

Аккумуляторная батарея

Чтобы избежать выброса аккумулятора при вождении робота, вы можете просто использовать резинку для волос.

Ролики

Не совсем роликовые ролики, а простая полусфера, закрепленная 4 винтами на нижнем слое. Этого достаточно для обеспечения устойчивости робота.

Шаг 6: Одноплатный компьютер и датчики на верхнем уровне

Какой одноплатный компьютер выбрать?

Мне не нужно представлять вам знаменитый Raspberry Pi, количество его вариантов использования значительно превышает область робототехники. Но у Raspberry Pi есть гораздо более мощный соперник, которого вы можете проигнорировать. Действительно, в Jetson Nano от Nvidia помимо процессора встроена мощная 128-ядерная графическая карта. Эта конкретная графическая карта была разработана для ускорения вычислительных дорогостоящих задач, таких как обработка изображений или логический вывод нейронной сети.

Для этого проекта я выбрал Jetson Nano, и вы можете найти соответствующую 3D-часть среди прикрепленных файлов, но если вы хотите использовать Raspberry Pi, здесь есть много вариантов для печати.

Регулятор 5V

Какую бы плату вы ни решили взять с собой на свой робот, вам понадобится стабилизатор на 5 В. Последнему Raspberry Pi 4 требуется максимум 1,25 А, но Jetson Nano требует до 3 А при нагрузке, поэтому я выбрал Pololu 5V 6A, чтобы иметь запас мощности для будущих компонентов (датчики, фонари, шаговые двигатели …), но подойдут любые дешевые 5V 2A. работа. В Jetson используется цилиндр постоянного тока диаметром 5,5 мм, а в Pi - микро-USB, возьмите соответствующий кабель и припаяйте его к выходу регулятора.

Макет LIDAR

Используемый здесь LIDAR - это LDS-01, существуют различные другие 2D-лидары, которые можно использовать, например, RPLidar A1 / A2 / A3, YDLidar X4 / G4 или даже лидары Hokuyo. Единственное требование - он должен быть подключен через USB и размещен по центру над конструкцией. Действительно, если LIDAR плохо отцентрирован, карта, созданная алгоритмом SLAM, может сместить предполагаемое положение стен и препятствий от их реального положения. Также, если какие-либо препятствия от робота пересекают лазерный луч, это уменьшит дальность и поле зрения.

Монтаж лидара

ЛИДАР монтируется на 3D-печатной детали, которая повторяет его форму, сама деталь удерживается на прямоугольной пластине (на самом деле на картинке из фанеры, но также может быть напечатана 3D-печать). Затем переходная часть позволяет закрепить ансамбль на верхней пластине черепахи с помощью нейлоновых прокладок.

Камера как дополнительный сенсор или замена лидара

Если вы не хотите тратить слишком много денег на лидар (который стоит около 100 долларов), выберите камеру: также существуют алгоритмы SLAM, которые работают только с монокулярной камерой с RGB-подсветкой. Оба SBC принимают камеру USB или CSI.

Более того, камера позволит запускать скрипты компьютерного зрения и обнаружения объектов!

сборка

Перед тем как закрыть робота, пропустите кабели через большие отверстия в верхней пластине:

• соответствующий кабель от регулятора 5V к SBC
• USB-кабель от порта программирования Arduino DUE (ближайшего к корпусу постоянного тока) к USB-порту вашего SBC

Затем закрепите верхнюю пластину с помощью дюжины винтов. Теперь ваш робот готов к программированию, ХОРОШО!

Шаг 7: заставьте его двигаться

Скомпилируйте Arduino

Откройте свою любимую IDE Arduino и импортируйте папку проекта с именем own_turtlebot_core, затем выберите свою плату и соответствующий порт, вы можете обратиться к этому отличному руководству.

Отрегулируйте настройки ядра

Проект состоит из двух файлов, один из которых необходимо адаптировать к вашему роботу. Итак, давайте откроем own_turtlebot_config.h и выясним, какие строки требуют нашего внимания:

#define ARDUINO_DUE // ** КОММЕНТИРУЙТЕ ЭТУ СТРОКУ, ЕСЛИ ВАШЕ НЕ ИСПОЛЬЗУЕТ ДОЛЖНОСТЬ **

Следует использовать только с Arduino DUE, если не комментировать строку.

#define RATE_CONTROLLER_KP 130.0 // ** НАСТРОЙТЕ ЭТО ЗНАЧЕНИЕ **

#define RATE_CONTROLLER_KD 5000000000000.0 // ** НАСТРОЙТЕ ЭТО ЗНАЧЕНИЕ ** #define RATE_CONTROLLER_KI 0.00005 // ** НАСТРОЙТЕ ЭТО ЗНАЧЕНИЕ **

Эти 3 параметра соответствуют коэффициентам усиления регулятора скорости, используемым ПИД-регулятором для поддержания желаемой скорости. В зависимости от напряжения батареи, массы робота, диаметра колеса и механической передачи вашего двигателя вам необходимо будет изменить их значения. ПИД-регулятор - это классический контроллер, и здесь вы не будете подробно рассказывать о нем, но эта ссылка должна дать вам достаточно входных данных для настройки вашего собственного.

/ * Определить контакты * /

// мотор A (справа) константный байт motorRightEncoderPinA = 38; // ** ИЗМЕНИТЬ ПИН-код NB ** const byte motorRightEncoderPinB = 34; // ** ИЗМЕНИТЬ ПИН-код NB ** const byte enMotorRight = 2; // ** ИЗМЕНИТЬ ПИН-код NB ** const byte in1MotorRight = 4; // ** ИЗМЕНИТЬ ПИН-код NB ** const byte in2MotorRight = 3; // ** ИЗМЕНИТЬ ПИН-код NB ** // двигатель B (слева) const byte motorLeftEncoderPinA = 26; // ** ИЗМЕНИТЬ ПИН-код NB ** const byte motorLeftEncoderPinB = 30; // ** ИЗМЕНИТЬ ПИН-код NB ** const byte enMotorLeft = 7; // ** ИЗМЕНИТЬ ПИН-код NB ** const byte in1MotorLeft = 6; // ** ИЗМЕНИТЬ ПИН-код NB ** const byte in2MotorLeft = 5; // ** ИЗМЕНИТЬ ПИН-код NB **

Этот блок определяет распиновку между L298N и Arduino, просто измените номер контакта, чтобы он соответствовал вашему. Когда вы закончите с конфигурационным файлом, скомпилируйте и загрузите код!

Установить и настроить ROS

Как только вы дойдете до этого шага, инструкции будут точно такими же, как те, что подробно описаны в отличном руководстве TurtleBot3, вам нужно скрупулезно следовать

Отлично, TurtleBot 3 теперь ваш, и вы можете запускать все существующие пакеты и учебные пособия с ROS.

Хорошо, но что такое ROS?

ROS расшифровывается как операционная система роботов, поначалу это может показаться довольно сложным, но это не так, просто представьте способ связи между оборудованием (датчики и исполнительные механизмы) и программным обеспечением (алгоритмы навигации, управления, компьютерного зрения…). Например, вы можете легко поменять текущий LIDAR на другую модель без нарушения настройки, потому что каждый LIDAR публикует одно и то же сообщение LaserScan. ROS широко используется в робототехнике, Запустите свой первый пример

Эквивалент «привет, мир» для ROS заключается в дистанционном управлении роботом через удаленный компьютер. Что вы хотите сделать, так это отправить команды скорости, чтобы двигатели вращались, команды следуют за этим каналом:

• узел turtlebot_teleop, работающий на удаленном компьютере, публикует тему "/ cmd_vel", включая сообщение Twist
• это сообщение пересылается через сеть сообщений ROS на SBC
• последовательный узел позволяет получить "/ cmd_vel" на Arduino
• Arduino считывает сообщение и устанавливает угловую скорость на каждом двигателе, чтобы она соответствовала желаемой линейной и угловой скорости робота.

Эта операция проста и может быть выполнена с помощью командных строк, перечисленных выше! Если вам нужна более подробная информация, просто посмотрите видео.

[SBC]

roscore

[SBC]

rosrun rosserial_python serial_node.py _port: = / dev / ttyACM0 _baud: = 115200

[Удаленный компьютер]

экспорт TURTLEBOT3_MODEL = $ {TB3_MODEL}

roslaunch turtlebot3_teleop turtlebot3_teleop_key.launch

Идти дальше

Вам нужно знать последнее, прежде чем пробовать все официальные примеры в руководстве каждый раз, когда вы сталкиваетесь с этой командой:

roslaunch turtlebot3_bringup turtlebot3_robot.launch

вам нужно вместо этого запустить эту команду на своем SBC:

rosrun rosserial_python serial_node.py _port: = / dev / ttyACM0 _baud: = 115200

И если у вас есть LIDAR, запустите соответствующую команду на вашем SBC, в моем случае я запускаю LDS01 со следующей строкой:

roslaunch hls_lfcd_lds_driver hlds_laser.launch

И это все, вы окончательно создали своего собственного черепашьего робота:) Вы готовы открыть для себя фантастические возможности ROS и кодировать алгоритмы машинного обучения и машинного обучения.