В этой статье я покажу, как собрать простого робота объезжающего препятствия, используя Arduino.
Для этого нам понадобится следующие компоненты:
- Плата Arduino UNO
- Motor Drive Shield dual L239D
- Сервопривод SG90
- Ультразвуковой дальномер Ultrasonic Module HC-SR04
- Платформа smart car на 4 колесах + 4 указателя скорости
- Держатель для 6 батареек AA
Все компоненты можно приобрести на этом сайте 🙂
Как вы уже догадались, в качестве «глаз» мы будем использовать ультразвуковой дальномер. Он имеет угол обзора примерно 15 градусов. К сожалению, этого не достаточно для обеспечения наших задач. Сервопривод позволит нам обойти это ограничение и выступит в роли «шеи». Все двигатели, сервопривод и дальномер подключать будем к шилду (Motor Drive Shield dual L239D). Возможности шилда позволяют нам подключить 2 сервопривода + на выбор:
- 4 мотора постоянного тока с потреблением не больше 600mA, 4.5 — 36В
- 2 мотора постоянного тока и один шаговый двигатель
- 2 шаговых двигателя
На борту данного шилда имеется две микросхемы L293D (1). L-ка позволяет управлять слаботочными двигателями с током потребления до 600 мА на канал. Моторы подключаются к разъемам M1, M2, M3, M4 на шилде (2). Центральные выводы на пятипиновых клеммниках соединены с землей и служат для удобства при подключении пятипроводных шаговых двигателей. Для управления на прямую выводами L-ки (IN1, IN2, IN3, IN4), отвечающимими за выбор направления вращения, необходимо 4 вывода, а для двух микросхем целых 8. Для уменьшения количества управляющих выводов в игру вступает сдвиговый регистр 74НС595 (3). Благодаря регистру, управление сводится с 8-ми пинов к 4-ем.
Также, на плату выведены 2 разъема для подключения сервоприводов (4). Управление сервоприводами стандартное с помощью библиотеки Servo.h и никак не связано с библиотекой которую мы будем рассматривать далее.
Питание силовой части производится либо от внешнего клеммника (5) либо замыканием джампера (6).
К явным минусам данного шилда можно отнести то, что он задействует практически все цифровые пины:
Выводы отвечающие за скорость вращения двигателей:
- Цифровой вывод 11 — DC Мотор №1 / Шаговый №1
- Цифровой вывод 3 — DC Мотор №2 / Шаговый №1
- Цифровой вывод 5 — DC Мотор №3 / Шаговый №2
- Цифровой вывод 6 — DC Мотор №4 / Шаговый №2
Выводы отвечающие за выбор направления вращения двигателей (подключены к микросхеме 74HC595): Цифровые выводы 4, 7, 8 и 12.
Выводы для управления сервоприводами (выведены на штырьки на краю платы):
- Цифровой вывод 9 — Сервопривод №1
- Цифровой вывод 10 — Сервопривод №2
В итоге незадействованными цифровыми выводами остаются только пины 2 и 13. Однако есть выход из данной ситуации. У нас остались незадействованные аналоговые входы A0-A5, их можно использовать как цифровые. К ним мы и будем подключить наш ультразвуковой дальномер. В коде они будут записываться как цифровые с 14 по 19.
Следующая проблема, которую необходимо решить — определиться с источником питания для робота. Варианты такие:
- Питаем Arduino и моторы от одного источника постоянного тока: подключаем этот источник к DC-входу Arduino или EXT_PWR на шилде, замыкаем джампер JP1. Вообще, питать моторы и Arduino от одного источника питания — плохая идея, Arduino может постоянно сбрасываться и вообще нестабильно работать.
- Питаем Arduino от USB, а моторы — от отдельного источника постоянного тока. Удаляем джампер JP1 на шилде, подключаем USB к Arduino, а питание моторов — на шилд в EXT_PWR.
- Питаем Arduino и моторы от двух независимых источников постоянного тока. Удаляем джампер JP1 на шилде, подключаем первый источник через DC-вход к Arduino, а второй — в EXT_PWR на шилде.
Внимание: соблюдайте полярность на EXT_PWR: оно подается после высоковольтного защитного диода D1 на Arduino. Если вы все правильно подключили — светодиод должен загореться!
Я решил остановиться на последнем варианте и использовать крону для питания платы Arduino и 6 батареек типа AA для питания моторов.
Настало время собрать все воедино:
- втыкаем шилд в плату Arduino
- подключаем моторы к шилду (разъемы M1, M2, M3, M4)
- подключаем сервопривод к шилду (смотрим на маркировку на плате, чтобы не ошибиться пинами)
- подключаем дальномер к шилду (Vcc — 5В, Gnd — земля, Trig — к пину A0, Echo — к пину A1)
- подключаем питание
И последний штрих — запускаем тестовую программу, которая будет управлять моторами: (для запуска потребуется библиотека AFMotor).
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 |
#include <AFMotor.h> // Подключаем библиотеку для работы с шилдом // Подключаем моторы к клеммникам M1, M2, M3, M4 AF_DCMotor motor1(1); AF_DCMotor motor2(2); AF_DCMotor motor3(3); AF_DCMotor motor4(4); void setup(){ // Задаем максимальную скорость вращения моторов (аналог работы PWM) motor1.setSpeed(255); motor1.run(RELEASE); motor2.setSpeed(255); motor2.run(RELEASE); motor3.setSpeed(255); motor3.run(RELEASE); motor4.setSpeed(255); motor4.run(RELEASE); } void loop(){ // Двигаемся условно вперед одну секунду motor1.run(FORWARD); // Задаем движение вперед motor2.run(FORWARD); motor3.run(FORWARD); motor4.run(FORWARD); motor1.setSpeed(255); // Задаем скорость движения motor2.setSpeed(255); motor3.setSpeed(255); motor4.setSpeed(255); delay(1000); // Останавливаем двигатели /* Очень не рекомендуем резко переключать направление вращения двигателей. Лучше дать небольшой промежуток времени.*/ motor1.run(RELEASE); motor2.run(RELEASE); motor3.run(RELEASE); motor4.run(RELEASE); delay(500); // Двигаемся в обратном направлении motor1.run(BACKWARD); // Задаем движение назад motor2.run(BACKWARD); motor3.run(BACKWARD); motor4.run(BACKWARD); motor1.setSpeed(255); // Задаем скорость движения motor2.setSpeed(255); motor3.setSpeed(255); motor4.setSpeed(255); delay(1000); // Останавливаем двигатели motor1.run(RELEASE); motor2.run(RELEASE); motor3.run(RELEASE); motor4.run(RELEASE); delay(500); } |
Надеюсь у вас все получилось и ваш робот сделал первые «шаги» 🙂
Мы имеем следующие способности и компоненты робота:
- 4 моторчика, каждым мотором мы можем управлять независимо от других
- сервопривод с рабочим ходом +\- 85-90 градусов и большой скоростью поворота
- ультразвуковой дальномер с углом обзора примерно 15 градусов
Зная характеристики и возможности железа, мы можем накидать алгоритм для программы:
- робот должен ехать прямо, пока не увидит препятствие
- увидев препятствие, он должен оглядеться и определить оптимальный маршрут (поехать в ту сторону, где помеха находятся дальше или отсутствует)
- если препятствие оказалось слишком близко, робот по каким либо причинам его не заметил и уткнулся в него (слабая отражающая способность, крохотная преграда, или робот подъезжал к нему под таким углом, что звук просто не мог отразиться обратно) — необходимо отъехать назад и дальше следовать второму пункту данного алгоритма
- после завершения маневра ехать по прямой линии до следующей преграды
Итак, задача ясна. Ниже представлена готовая и откомментированная программа. По-моему мнению, это наилучший способ разъяснить, как она работает 🙂
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 |
// Подключаем нужные библиотеки #include <Servo.h> // для работы с сервоприводом #include <AFMotor.h> // для работы с шилдом // задаем пины, к которым мы подключили ультразвуковой дальномер // на шилде Motor Drive Shield dual L239D оставались пустыми только аналоговые пины // их можно свободно использовать, как цифровые // пин A0 соответсвует 14-му цифровому пину, A1 - 15-му #define trigPin 14 // через этот пин будем отправлять сигнал #define echoPin 15 // здесь будем считывать ответ // даем Arduino знать, что подключено 4 моторчика // это задние моторы AF_DCMotor motor_b1(1); // мотор подключен к порту M1 на шилде AF_DCMotor motor_b2(2); // порт M2 // это передние моторы AF_DCMotor motor_f1(3); // порт M3 AF_DCMotor motor_f2(4); // порт M4 // объект для управления сервоприводом Servo neck; // вспомогательные переменные, за что они отвечают написано ниже... int d1, d2; // для упрощения программы, устранения повторения кода и просто для удобства, будем использовать функции... // ниже описаны функции, которые нужны для реализации того алгоритма, который мы написали в начале статьи // с помощью данной функции мы сможем задать скорость, с которой будет двигаться наш робот // у нее всего один параметр - speed - он должен быть в диапазоне 0-255 // соотвественно 0 - робот никуда не едет, 255 - едет на максимальной скорости (максимально сжирая батарейки :)) // для прямолинейной езды скорость всем моторам нужно установить одинаковую void set_speed(int speed){ motor_b1.setSpeed(speed); motor_b2.setSpeed(speed); motor_f1.setSpeed(speed); motor_f2.setSpeed(speed); } // библиотека AFMotor позволяет установить моторы в 3 режима: // 1. FORWARD - моторы будут крутиться "вперед", если можно так выразиться :) // 2. BACKWARD - моторы будут крутиться "назад" // 3. RELEASE - остановка, моторы крутиться не будут // и после переключения режима, желательно дать время на переход из одного состояния в другое // Ниже реализованы 3 функции, которые позволят переключаться между этими режимами. // едем вперед void robot_forward(){ motor_b1.run(FORWARD); motor_b2.run(FORWARD); motor_f1.run(FORWARD); motor_f2.run(FORWARD); delay(1000); } // едем назад void robot_backward(){ motor_b1.run(BACKWARD); motor_b2.run(BACKWARD); motor_f1.run(BACKWARD); motor_f2.run(BACKWARD); delay(1000); } // останавливаемся void robot_release(){ motor_b1.run(RELEASE); motor_b2.run(RELEASE); motor_f1.run(RELEASE); motor_f2.run(RELEASE); delay(1000); } // конструкция платформы не позволяет поворачивать передние колеса для изменения направления движения // это легко обойти, если вспомнить как поворачивает танк :) // колеса на одной стороне мы вращаем в одну сторону, на другой стороне - в противоположную // следующие функции это делают... // поворот направо void turning_to_the_right(){ motor_b1.run(FORWARD); motor_f2.run(FORWARD); motor_b2.run(BACKWARD); motor_f1.run(BACKWARD); delay(1000); } // поворот налево void turning_to_the_left(){ motor_b2.run(FORWARD); motor_f1.run(FORWARD); motor_b1.run(BACKWARD); motor_f2.run(BACKWARD); delay(1000); } // такой алгоритм разворота разумеется не идеальный - этот метод я использовал для простоты // для плавного поворота на ходу, нужно просто задавать моторам разную скорость // и последняя функция // она нужна для определения расстояния до препятствия // для обеспечения большей точности, показания считываются дважды int get_distance(){ // вспомогательные переменные long duration; int d_1, d_2, average = -1; // это стандартный способ определения расстояния для дальномера // описывать его не буду, в интернете есть куча информации по этому поводу - нам важен результат // результат будет записан в переменную d_1, а именно будет записано количество сантиметров до препятствия // ------------------- digitalWrite(trigPin, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trigPin, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trigPin, LOW); duration = pulseIn(echoPin, HIGH); d_1 = (int) duration / 58.2; // ------------------- // как я уже писал, повторяем процедуру для более точных показаний // и записываем значение в переменную d_2 // ------------------- digitalWrite(trigPin, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trigPin, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trigPin, LOW); duration = pulseIn(echoPin, HIGH); d_2 = (int) duration / 58.2; // ------------------- // подсчитываем среднее арифметическое для d_1 и d_2 // это и будет считаться окончательным ответом average = (int) (d_1 + d_2) / 2; Serial.print("distance: "); Serial.println(average); return average; } void setup(){ Serial.begin(19200); // устанавливаем пин A0 на вывод, A1 - на ввод pinMode(trigPin, OUTPUT); pinMode(echoPin, INPUT); // сервопривод подключен к 10-му пину, даем знать Arduino, что он там есть neck.attach(10); // и поворачиваем на нужный угол (угол подбирайте сами, нужно чтобы дальномер смотрел вперед) neck.write(120); // устанавливаем скорость двигателей. я выбрал значение 200, при 150 он еле тащился :) set_speed(200); // режим FORWARD, робот будет ехать вперед robot_forward(); } void loop(){ // вот мы и дошли до реализации самого алгоритма // в функции setup() мы уже установили необходимые значения для движения вперед по прямой // следующее условие будет проверять не наткнулся ли робот на препятствие // если наткнулся - совершить маневр, и после его завершения опять ехать вперед if (get_distance() < 20){ // сюда попадем, если мы оказались впритык к препятствию (до него меньше 20 сантиметров) // нам не хватает места для разворота Serial.println("backward"); // сдаем немного назад robot_backward(); delay(1000); Serial.println("forward"); // потом мы опять едем вперед с надеждой, что сдалека мы обнаружим помеху :) robot_forward(); // если ее обнаружим - то выполнится нижний участок кода // если не обнаружим - либо опять сдадим назад, либо врежимся :) } else if (get_distance() < 50){ // если до препятствия остается 50 сантиметров, совершаем поворот // останавливаем робота robot_release(); // поворачиваем "голову" направо на 50 градусов neck.write(70); delay(500); // считываем расстояние до препятствия справа от робота d1 = get_distance(); // поворачиваем "голову" налево neck.write(170); delay(500); // считываем расстояние до препятствия слева от робота d2 = get_distance(); // выбираем оптимальный маршрут if (d1 > d2){ // сюда попадем, если справа от робота больше свободного места для езды Serial.println("turning to the right"); // начинаем поворот направо turning_to_the_right(); } else { // сюда попадем, если слева от робота больше свободного места для езды Serial.println("turning to the left"); // начинаем поворот налево turning_to_the_left(); } // вернем "голову" в исходную позицию neck.write(120); delay(500); // поворачиваем до тех пор, пока препятствие не выйдет из поля зрения while (get_distance() < 50){ delay(500); } // поедем вперед, когда поворот завершится robot_forward(); } // небольшая задержка, чтобы дать время роботу поменять свое положение delay(500); } |
Помните, что робот имеет только один сервопривод — следовательно осматриваться он может только в одной плоскости и помехи, которые будут находится ниже и выше угла обзора дальномера, будут просто игнорироваться и робот в них врежется. Частично это можно обойти, играясь с этим условием (get_distance() < 50).
На этом все, спасибо за внимание 🙂
Видео с очень похожим роботом:
Инфомрация взята с:
- http://zelectro.com.ua/Adafruit_motor_shield
- http://mk90.blogspot.ru/2009/03/motorshield-adafruit.html
- http://learn.adafruit.com/adafruit-motor-shield/overview
Материал прислал: Александр Укштейн
Возможно, вам потребуются файлы:
- библиотека AFMotor
Спасибо автору! Искал информацию по сборке и наконец то нашел. Но по не опытности купил другую плату (UNO V3) и шилд на L298.
обычно все по неопытности так и делают)))
А возможно ли сделать так чтоб он постоянно вращал налево /направо сонар а не только когда увидит препятствие?
да, это возможно. нужно изменить часть кода.
в программе косяк, при проверке кода выдает ошибки по 4-5 строкам, в программировании не силен
Возможно, вы не подключили библиотеку AFMotor.h
что означает 1t
а где это встречается?