Zbuduj własnego robota - Line Follower
Przedstawię tutaj prosty projekt mobilnego robota mobilnego typu Line Follower. Jeśli zastanawiałeś się jak buduje się roboty mobilne, ale nie wiedziałeś jak zacząć, to trafiłeś idealnie.Omówię tutaj wszystkie elementy które są niezbędne do zbudowania takiego robota a także wyjaśnię jakie funkcję spełniają. Pokaże także jak należy wszystko ze sobą połączyć oraz jak uruchomić twojego pierwszego robota mobilnego.
Czym są Line Followery?
Line Follower jak sama nazwa wskazuje jest to robot mobilny, który podąża za linią wyznaczającą jego tor jazdy. Jest to jedna z kategorii podczas licznych konkursów robotyków, gdzie wygrywa konstruktor najszybszego pojazdu. Trasa przejazdu wyznaczana jest przez czarną linię o szerokości od 15 do 20 mm na białym (o jasnym kolorze) podłożu, możliwa jest także odwrotna wersja czyli biała linia na czarnym (ciemnym) podłożu. W tym projekcie zastosujemy czarną linię. Do zbudowania własnego domowego toru wystarczy nam kawałek podłogi oraz zwykła taśma izolacyjna. Do wyklejenia toru wykorzystałem taśmę o szerokości 15 mm. Z łatwością znajdziecie taką w każdym markecie budowlanym.
Lista elementów
Poniżesz znajdziesz zwięzłą listę elementów i materiałów do budowy robota wraz z informacją gdzie można je kupić. Niektóre elementy mogą zostać wycofane z konkretnych sklepów. W takiej sytuacji warto poszukać w różnych miejscach (np. na Allegro). Dokładniejszy opis konstrukcji znajdziesz w dalszej części artykułu.
Podzespoły elektroniczne
- Dwa silniki prądu stałego o napięciu zasilania 3 – 6 V i prędkości obrotowej ok. 120 obr./min.- przykładowa oferta
- Dwukanałowy sterownik silników DC na układzie L298N – przykładowa oferta
- Moduł z czujnikami odbiciowymi – przykładowa oferta 1, przykładowa oferta 2, przykładowa oferta 3.
- Dwa akumulatory Li-Ion typu 18650 – przykładowa oferta.
- Koszyk na akumulatory – przykładowa oferta.
- Arduino UNO – przykładowa oferta.
Podzespoły mechaniczne
- Płyta podłogowa – można ją wykonać np. z plexi 4 mm.
- Mocowanie silników – można je wykonać np. z kątowników aluminiowych.
- Koła – zwróć uwagę na zamontowanie na silnikach. Do proponowanych przez nas silników pasują koła firmy Dagu – przykładowa oferta1, przykładowa oferta 2.
- Ślizgacz z kulą – przykładowa oferta.
Podzespoły elektroniczne
Silniki
Aby nasz robot mógł się w ogóle poruszać musi być wyposażony w źródło napędu,. W tym projekcie wykorzystamy dwa silniki prądu stałego z podwójnym wałem wyposażone w przekładnię 1:90. Prędkość obrotowa takiego silnika wynosi 120 obr/min pozwoli nam to uzyskać przyzwoitą prędkość robota. Dopuszczalne napięcie zasilania tego silnika wynosi od 3 do 6 V. Takie silniki można kupić w internetowych sklepach z elektroniką.
Dodaj tu swój tekst nagłówka
Aby móc sterować mocą silników oraz kierunkiem ich obrotów wykorzystamy moduł WB291111 wyposażony w układ L298N który jest układem mostka H. Jest to sterownik dwukanałowy, oznacza to że możmy go wykorzystać do sterowania dwoma silnikami. Dodatkowo moduł ten wyposażony jest w regulator napięcia 5V. Jest to bardzo wygodne, ponieważ normalnie powinniśmy dodatkowo zasilić moduł napięciem 5V, Kiedy mamy wbudowany regulator wystarczy że podłączymy źródło napięcia które chcemy wykorzystać do zasilania silników, które może wynosić od 5V do 46V. Dodatkowo możemy wykorzystać napięcie 5V do zasilania płytki Arduino Uno i nie musimy wykorzystywać dodatkowego regulatora napięcia, wystarczy nam ten wbudowany w moduł WB291111 .
Moduł z czujnikami odbiciowymi
Niezbędnym elementem naszego Line Followera jest płytka z czujnikami obiciowymi. To one pozwalają nam wykryć czarną linię na jasnym tle. Wykorzystałem tutaj moduł TCRT5000L. Moduł ten wyposażony jest w pięć czujników odbiciowych. Według ich specyfikacji wykrywają one czarną linię z odległości od 0 do 4 cm. W rzeczywistości jednak należy tą odległość dobrać do warunków, czyli do koloru linii którą wykorzystujemy i koloru tła. W moim projekcie moduł z czujnikami zamontowany jest 1,5 cm od podłoża. Wysokość zamontowania modułu najlepiej dobrać eksperymentalnie. Należy nakleić na podłodze czarną taśmę, następnie podłączyć zasilanie do modułu, potem zbliżać moduł i oddalać do linii i obserwować statusowe diody LED na module. Tylko statusowa dioda LED czujnika który jest nad linią powinna zgasnąć, jeśli uzyskamy taki efekt, wysokość na której wówczas był moduł jest tą którą powinniśmy zastosować. Moduł należy zasilić napięciem od 3,3 do 5,5 V.
Źródło zasilania - akumulatory
Nasz robot potrzebuje mobilnego źródła zasilania. Dobrze się tutaj spiszą ogniwa Li-Ion, ponieważ mają dużą pojemność. Można kupić takie ogniwa lub także można je pozyskać ze starych baterii do laptopów. Warto także wyposażyć się w koszyk do takich baterii aby w łatwy sposób można było je wymieniać. Szeregowo połączone takie ogniwa zapewniają źródło zasilania o napięciu 7,2V.
Moduł z mikrokontroler - Arduino uno r3
Aby móc zaprogramować algorytm działania naszego robota potrzebujemy platformy z mikrokontrolerem. De tego calu wykorzystamy popularną platformą Arduino UNO. To tutaj znajduje się mózg naszego robota. To tutaj będziemy odczytywać sygnały z czujników obiciowych, które przysyłają nam informację o położeniu linii względem robota oraz reagować na nie wysyłaniem odpowiednich sygnałów do sterownika silników. Jeden z prostszych algorytmów działania Line Followera wykorzystuje tylko dwa czujniki odsunięte od siebie o odległość większa niż grubość linii. Algorytm taki działa następująco: jeśli żaden z czujników nie widzi linii, robot jedzie prosto; kiedy lewy czujnik widzi linię to jazda po łuku w lewo; natomiast kiedy prawy czujnik widzi linię to jazda po łuku w prawo. W moim projekcie wykorzystałem bardziej zaawansowany algorytm oparty o regulator PID.
Link do miejsca, z którego można pobrać pogram z zaimplementowanym regulatorem i instrukcje jego uruchomienia znajdziecie dalej.
Podzespoły mechaniczne
Płyta podłogowa
Żeby wszystkie elementy naszego robota trzymały się razem i tworzyły pojazd mobilny konieczne jest zamontowanie ich do płyty podwozia. Płytę taką najlepiej wykonać z materiału lekkiego ale dość sztywnego. Dobrze się sprawdzają materiały w miarę plastyczne w których łatwo można wyciąć jakiś kształt lub wywiercić otwór. Do mojego projektu wykorzystałem kawałek czarnej plexi o grubości 4mm.
Koła
Nasz robot jest wyposażony w silniki z przekładniami, jednak aby mógł się poruszać potrzebuje kół. Do mojego robota zastosowałem koła Dagu o średnicy 78 mm i szerokości 17 mm. Silniki które wybrałem są kompatybilne z kołami typu Dagu, oznacza to że pasuje idealnie do wałów silnika. Kółka są plastikowe z gumowymi oponami.
Ślizgacz z kulką
Nasza konstrukcja wyposażona jest w tylko w dwa koła zamontowane z tyłu, oznacza to że, aby płyta podłogowa utrzymywała się poziomo do podłoża musimy zamontować dodatkowe podparcie z przodu. De tego posłuży nam ślizgacz z metalową kulką. Kulka metalowa kulka zamontowana w plastikowej oprawie może obracać się swobodnie, dzięki temu ślizgacz nie wprowadza dodatkowego tarcia.
Schemat połączeń
Na poniższym rysunku są przedstawione wszystkie połączenia elektryczne jakie należy wykonać w projekcie. Do wykonania połączeń najlepiej wykorzystać przewody połączeniowe męsko – męskie. Przewody takie z obu stron są zakończone złączem męskim typu goldpin. Natomiast na rysunku obok widać jak wygląda cala konstrukcja po jej złożeniu i zamontowaniu na płycie podwozia.
Uruchomienie robota
Żeby uruchomić naszego robota niezbędne będzie środowisko Arduino IDE, możesz je pobrać tutaj. Dodatkowo będzie potrzebny program, który należy wgrać na płytkę z mikrokontrolerem. Program znajdziesz pod tym linkiem. Następnie podłącz płytkę Arduino Uno do komputera za pomocą kabelka USB. Uruchom środowisko Arduino IDE i skonfiguruj połączenie z płytką. Wystarczy, że w zakładce „Narzędzia->Płytka” wybierzesz moduł „Arduino Uno” oraz również w zakładce „Narzędzia->Port” wybierzesz port szeregowy pod którym widoczny jest moduł. Teraz w zakładce „Plik” wybierz opcję „Otwórz” i wybierz pobrany program „Line Follower”. Musisz teraz zaprogramować mikrokontroler klikając w ikonkę ze strzałką w lewym górynym rogu.
Mikrokontroler jest już zaprogramowany, przystępujemy teraz do uruchomienia robota. W tym celu uruchamiamy monitor portu szeregowego ikonką w lewym górnym rogu. Wprowadzamy takie same ustawienia portu jak w rysunku powyżej. Wpisujemy teraz komunikat „1 _100” i klikamy enter. Nasz robot powinien teraz zacząć jechać do przodu, jeśli tak nie jest należy zmodyfikować podłączenie silników do sterownika. Wystarczy zamienić miejscami kabelki silnika, który obraca się do tyłu. Jeśli robot jedzie do przodu to go resetujemy przyciskiem na module Arduino UNO i poprzez monitor portu szeregowego wprowadzamy komendę „11_1” i klikamy przycisk enter. Nasz robot uruchomi wówczas tryb Line Follower, teraz możemy umieścić go na torze i podziwiać.
