Self Balancing Robot

Autor:	Eva Štalmachová a Denis Vasko
Študijný odbor:	Robotika	3. Bc. (2019)

Opis projektu

Cieľom projektu je zostrojenie dvojkolesového robota typu Segway, ktorý udržuje rovnováhu.

Projekt sme si zvolili preto, pretože jeho náročnosť bola vhodná pre naše schopnosti, z čoho sme predpokladali, že nadobudneme cenné praktické vedomosti.

Zoznam komponenotv

• Arduino UNO

Tu bude obrázok arduina.

• Bluetooth modul HC-05

Tu bude obrázok HC-05 modulu.

• L238n Motor Driver modul

Tu bude obrázok driver modulu L298n.

• Arduino UNO Screw Shield V3

Tu bude obrázok screw shield-u.

• MPU6050 6 osí MEMS gyroskop + akcelerometer

Tu bude obrázok MPU6050.

• LiPol batéria

Tu bude obrázok LiPol batérie.

• Motory, kolesá a šróby [Sem pridat link na motory]

Tu bude obrázok motorov a kolies.

• Modul RGB LED diódy

Tu je obrázok modulu RGB LED diódy.

• Modul Pushbutton

Tu je obrázok push buttonu.

• Prepojovacie káble (Počet viď. schéma zapojenia)
• Dištančné stĺpiky matica x matica [sem napíš dĺžku krátkych dištančných stĺpikov] a matica x šrób [sem napíš dĺžku dlhých dištančných stĺpikov]
• Skrutky 3x10 28ks 3x5 4ks (na pripevnie motorv na rámiky)
• Lepiaca páska (izolačná a obojstranná)
• Náradie (šrobováky, imbusové klúče)

Použité zdroje a software

• Vim
• qcad
• Android Studio
• Inkscape
• Arduino IDE
• Nastavenie rýchlosti prenosu bluetooth modulu HC-05
• [ Knižnica i2cdev]
• Knižnica na čítanie dát z gyroskopu a akcelerometra MPU6050
• Kalibrácia MPU6050

Analýza

Definované časti úlohy

• Vykonať montáž súčiastok a zapojiť elektronické časti.
• Kalibrácia MPU6050 gyroskopu a akcelerometra a čítanie dát zo senzoru.
• Zabezpečiť komunikáciu vývojovej dosky Arduino UNO cez bluetooth modul HC-05.
• Definovať komunikačný protokol medzi android aplikáciou a vývojovou doskou Arduino UNO.
• Vývoj android aplikácie.
• Vývoj algoritmu, ktorý zabezpečí taký akčný zasah pre motory, že robot zostatne vo vyváženej polohe.

Popis riešenia

Návrh častí robota

Rezanie lasérom

Nasledujúce časti robota boli vyrezané lasérom. Použitý materiál bol akryl.

Podvozok (spodný)

Podvozok bol navrhnutý v programe qcad. Na tomto podvozku sa nachádzajú dierky na priskrutkovanie držiakov motorov. K tejto časti podvozku je tiež prichytená batéria. Taktiež sa na tomto podvozku nachádajú dierky na priskrutkovanie dištančných stĺikov a rovanké dierky slúžia aj na priskrutkovanie nárazníkov. Podvozok bol vyrezaný lasérom z platne akrylu.

Tu bude obrázok podvozku (spodnej časti)

Médiá:dtv2019_sbr_podvozok_spodny_subor_na_rezanie.pdf

Médiá:dtv2019_sbr_podvozok_spodny_subor_cad.dxf

Podvozok (vrchný)

Nákres bol vyhotovený v programe qcad. Na podvozku sa nachádzajú dierky pre priskrutkovanie modulu na ovládanie motorov L298n a dierky pre priskrutkovanie vývojovej dosky Arduino UNO. Taktiež sa tu nachádzajú dierky pre dištančné stĺpiky, spájajúce tento podvozok so spodným podvozkom a hlavou robota.

Tu bude obrázok podvozku (vrchnej časti).

Médiá:dtv2019_sbr_podvozok_vrchny_subor_na_rezanie.pdf

Médiá:dtv2019_sbr_podvozok_vrchny_subor_cad.dxf

Senzorová lišta

Návrh bol vyhotovený v programe qcad. Táto lišta bude pripevnená na Screw Shield v.3 a slúži ako miesto prilepenia bluetooth modulu HC-05 a ako miesto priskrutkovania MPU6050 gyroskopu.

Tu bude obrázok senzorovej lišty.

Médiá:dtv2019_sbr_senzorova_lista_subor_na_rezanie.pdf

Médiá:dtv2019_sbr_senzorova_lista_subor_cad.dxf

Nárazníky

Nárazníky sú taktiež navrhnuté v programe qcad. Nárazníky sú priskrutkované k spodnému podvozku a slúžia na zastavenia pádu robota. Zabezpečujú, že sa pri páde robota nepoškodia časti elektorniky.

Tu bude obrázok nárazníkov.

Médiá:dtv2019_sbr_narazniky_subor_na_rezanie.pdf

Médiá:dtv2019_sbr_narazniky_subor_cad.dxf

3D tlač

Materiál použitý pri 3D tlači bol PLA filament.

Hlava s podstavou

3D model bol navruhný v programe tinkercad. Po dokončení bol 3D model vytlačený na 3D tlačiarni Prusa.

Tu bude obrázok návrhu v tinkercad-e. Tu bude obrázok Hlavy s podstavou.

Tu bude súbor 3D-modelu.

Rezanie na plotry

Páska cez oko

Páska robota je prilepená na hlavu robota.

Tu bude obrázok pásky cez oko.

Médiá:dtv2019_sbr_paskacezoko_inkscape.svg

Postup montáže súčiastok

Priskrutkovanie rámov motorov k spodnej časti podvozku.

Obrázok priskrutkovaných rámov motorov.

Priskrutkovanie motorov do rámov pre motory.

Obrázok priskrutkovaných motorov.

Priskrutkovanie kolies k hriadelom motorov.

Obrázok priskrutkovaných kolies.

Priskrutkovanie malých dištančných stĺpikov k spodnej časti podvozku zhora a zároven aj pripenenie nárazníkov z dolnej časti podvozku.

Obrázok priskrutkovaných dištančncýh stĺpikov.

Uloženie batárie na spodný podvozok a jej pripevnenie.

Obrázok uloženia batérie.

Priskrutkovanie vývojovej dosky Arduino UNO a ovládača motorov L298n k vrchnému podvozku.

Obrázok priskrutkovanej vývojovej dosky a ovládača motorov.

Priskruktovanie vrchnej časti podvozku na krátke dištančné stĺpiky dlými stĺpikmi.

Obrázok priskrutkovanej vrchnej časti podvozku.

Pripevnenie senzorovej lišty na Screw shield.

Obrázok pripevnenia Screw shield-u.

Zapojenie elektroniky na základe schémy zapojeina. (Okrem RGB LED diódy umiestnenej v hlave robota)

Obrázok zapojenia elektroniky.

Priskrutkovanie MPU6050 6 osého gyroskou a akcelerometra na senzorovú lištu.

Obrázok priskrutkovania MPU6050 na senzorovú lištu.

Prilepenie bluetooth modulu na senzorovú lištu.

Obrázok prilepenia bluetooth modulu na senzorovú lištu.

Prilepenie modulu RGB LED diódy do vnútra hlavy robota.

Obrázok rgb ledky v hlave robota.

Zapojenie RGB LED diódy na základe schémy zapojenia a priskrutkovanie hlavy s podstavou na vrchné dištančné stĺpiky pomocou skrutiek a matíc.

Obrázok zapojenia rgb ledky.

Prilepenie tlačidla na vyp./zap. PWM motorv na podstavu hlavy.

Obrázok tlačidla.

Zapojenie elektronických častí

Sem príde obrázok schémy zapojenia a opis. A opis elektroniky.

Kalibrácia MPU6050 gyroskopu a akcelerometra a čítanie dát zo senzoru

Na čítanie dát zo senzoru bola použitá knižnica MPU6050, ktorá vyžaduje inštaláciu knižnice [link na knižnicu i2cdev]. Konkrétne sme ako šablónu využili súbor MPU6050_DMP6.ino. Pred čítaním dát sa vytvorí globálny objekt mpu, ktorý sa vo funckií setup inicializuje.

Čítanie dát zo senzoru prebieha vo funkcií loop.

Kalibrácia (určenie offestov) bola vykonaná pomocou skriptu, ktorý je možné nájsť tu. Tento kalibračný skript si vyžaduje inštaláciu predchádzajúcej knižnice na čítanie dát. Pred spustením kalibrácie je robot umiestnený tak, aby boli podvozky vo vodorovnej polohe. Po ukončení skriptu sa cez sériový port vypíšu offesty. Offsety sa potom použijú pri nastavení mpu objektu vo funkcii setup.

Komunikácia Arduino UNO cez bluetooth modul HC-05

V našom prípade ide len o jednosmernú komunikáciu z Android aplikácie cez bluetooth modol do vývojovej dosky Arduino UNO. Pri danom zapojení je monžné dáta z modulu HC-05 čítať ako sériovú linku pomocou metód Serial.read(). Zisťovať prítomnosť neprečítaťných dát je možné pomocou metódy Serial.available().

Definícia kominukačného prtokolu medzi android aplikáciou a vývojovou doskou Arduino UNO

K akciám, ktoré môžu byť vykonávané cez aplikáciu, sme priradili číselné znaky a znaky z abecedy (bajty). Každá operáciu má priradený iný znak, ktorý sa pri stlačení tlačidla pošle cez bluetooth pripojenie do vývojovej dosky. Vývojová doska následne túto hodnotu prečíta a rozhodnote akú operáciu vykonať.

Vývoj android aplikácie

Aplikácia bola vyvynutá pomocou softwéru Android Studio.

Sem pridať postup vytvorenia aplikácie.

Vývoj vyvažovacieho algoritmu

Prevažná časť projektu bola napísaná v editore Vim. Kompilácia a nahrávanie programu do vývojovej dosky prebiehaly pomocou Arduino IDE.

Na vyvažovanie robota boli použité PID regulátory. Prvý regulátor určuje akčné zásahy do motorov pri náklone robota dopredu a druhý pri náklone robota dozadu. Parametre regulátorov sú nastavované vyvynutou aplikáciu, keďže tento spôsob natavovania umožňuje zmenu parametrov bez potreby kompilácie a nahratia kódu do vývojovej dosky.

Zdrojové súbory

Projekt Arduino IDE: Médiá:dtv2019_sbr_arduino_projekt.zip

Projekt aplikácie v Android Studio: Médiá:dtv2019_sbr_android_projekt.zip

Výsledok

Gifko fungujúceho robota so svietiacou hlavou.

Nezabudnite zdokumentovať výsledok vašej práce. Určite sem patria fotografie, video a zhodnotenie ako ste spokojní s výsledkom,

Kľúčové slová 'Category', ktoré sú na konci stránky nemeňte.