Жеке тасбақа роботын жасаңыз!: 7 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:24

ӨҢДЕУ:

Бағдарламалық қамтамасыз ету мен басқару туралы қосымша ақпаратты мына сілтеме бойынша алуға болады:

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

Кодқа тікелей сілтеме:

github.com/MattMgn/foxbot_core

Неліктен бұл жоба?

Turtlebot 3 - электроникаға, робототехникаға және тіпті AI -ге терең ену үшін тамаша платформа! Мен сізге өзіңіздің тасбақаңызды мүмкіндіктері мен өнімділігін жоғалтпастан қол жетімді компоненттермен біртіндеп құруды ұсынамын. Бір нәрсені ескере отырып: бастапқы роботтан ең жақсысын сақтау, оның модульділігі, қарапайымдылығы және ашық көзі бар қоғамдастықтан автономды навигация мен АИ үшін көптеген пакеттер.

Бұл жоба жаңадан бастаушыларға электроника, механика және информатика туралы түсініктерді алуға, ал тәжірибесі барларға жасанды интеллект алгоритмдерін сынау мен дамытудың қуатты платформасын алуға мүмкіндік береді.

Бұл жобадан не ашасыз?

Сіз толық үйлесімділікке кепілдік беру үшін бастапқы боттан қандай маңызды механикалық және электронды бөлшектерді сақтау керектігін білгіңіз келеді.

Бүкіл құрастыру процесі егжей -тегжейлі сипатталады: 3D бөлшектерін басып шығарудан, құрастырудан және бірнеше компоненттерден, электрониканы дәнекерлеумен және біріктіруден бастап Arduino -да код жинауға дейін. Бұл нұсқаулық сізді ROS -пен таныстыру үшін 'сәлем әлемі' үлгісімен аяқтайды. Егер бірдеңе түсініксіз болып көрінсе, еркін түрде сұрақ қойыңыз!

Жабдықтар

Электроника:

ROS -ты іске қосу үшін 1 x бірыңғай компьютер, мысалы, Raspberry Pi немесе Jetson Nano болуы мүмкін

1 x Arduino DUE, сіз UNO немесе MEGA қолдана аласыз

Arduino DUE шығуына сәйкес келетін 1 x протокол

Кодерлері бар 2 х 12В тұрақты ток қозғалтқыштары (100 айналым / мин)

1 x L298N мотор драйвері

2 х 5В реттегіш

1 x батарея (мысалы, 3S/4S LiPo аккумуляторы)

2 x ON/OFF қосқыштары

2 x жарық диоды

2 x 470 кОм резисторлар

3 x 4 істікшелі JST қосқыштары

1 x USB кабелі (SBC мен Arduino арасында кемінде бір)

Датчиктер:

1 x ток сенсоры (міндетті емес)

1 x 9 еркіндік дәрежесі ХБҚ (міндетті емес)

1 x LIDAR (міндетті емес)

Шасси:

16 x Turtlebot модульдік пластиналары (оны 3D басып шығаруға да болады)

Диаметрі 65 мм 2 дөңгелектер (ені 6 мм)

4 x 30 мм нейлон аралықтары (міндетті емес)

20 x M3 кірістіру (міндетті емес)

Басқалар:

Сымдар

М2.5 және М3 бұрандалар мен кірістірулер

3D принтері немесе сізге бөлшектерді басып шығара алатын адам

Бұрғылау жиынтығы бар қолмен бұрғылау осылайша орындалады

1 -қадам: Сипаттама

Бұл робот - бұл моторға тікелей орнатылған 2 дөңгелекті және роботтың құлап кетуіне жол бермеу үшін артқы жағына орнатылған роликті қолданатын қарапайым дифференциалды жетек. Робот екі қабатқа бөлінеді:

төменгі қабат: қозғалыс тобымен (аккумулятор, қозғалтқыш реттегіші мен қозғалтқыштар) және «төменгі деңгейдегі» электроника: Arduino микроконтроллері, кернеу реттегіші, қосқыштар …

Жоғарғы қабат: «жоғары деңгейлі» электронды жүйемен, яғни бір тақталы компьютер мен LIDAR

Бұл қабаттар құрылымның беріктігін қамтамасыз ету үшін басылған бөлшектермен және бұрандалармен байланыстырылған.

Электронды схема

Схема сәл нашар көрінуі мүмкін. Бұл схемалық сызба және ол барлық сымдарды, коннекторларды және протоколды көрсетпейді, бірақ оны келесідей оқуға болады:

3000mAh сыйымдылығы бар 3S Litihum Ion Polymer аккумуляторы бірінші тізбекті қуаттайды, ол қозғалтқышты басқару тақтасын (L298N), сонымен қатар мотор кодерлері мен Arduino үшін бірінші 5В реттегішті қуаттандырады. Бұл схема оның қосулы/өшірілген күйін көрсететін светодиоды бар қосқыш арқылы қосылады.

Сол батарея екінші тізбекті қосады, кіріс кернеуі 5 В -қа түрлендіріліп, бір тақталы компьютерді қуаттандырады. Мұнда схема қосқыш пен жарық диоды арқылы қосылады.

LIDAR немесе камера сияқты қосымша сенсорларды Raspberry Pi -ге USB немесе CSI порты арқылы қосуға болады.

Механикалық дизайн

Робот қаңқасы 16 бірдей бөліктен тұрады, олар 2 шаршы қабатты (ені 28 см) құрайды. Көптеген тесіктер сізге қажет жерлерге қосымша бөлшектерді орнатуға мүмкіндік береді және толық модульдік конструкцияны ұсынады. Бұл жоба үшін мен TurtleBot3 пластиналарының түпнұсқаларын алуды шештім, бірақ сіз оларды 3D басып шығаруға болады, себебі олардың дизайны ашық көзі болып табылады.

2 -қадам: мотор блогын құрастыру

Қозғалтқышты дайындау

Бірінші қадам - қозғалтқыш айналатын кезде діріл мен шудың алдын алу үшін қалыңдығы 1 мм қалың көбік таспасын қосу.

Басылған бөлшектер

Қозғалтқыш ұстағыш екі бөліктен тұрады, олар қозғалтқышты вице сияқты ұстайды. Қозғалтқышты ұстағышқа бекіту үшін 4 бұрандаға қол жеткізілді.

Әрбір ұстағыш құрылымға орнатылатын М3 кірістірулері бар бірнеше тесіктерден тұрады. Шынында да қажет тесіктер көп, қосымша тесіктерді ақырында қосымша бөлікті бекіту үшін қолдануға болады.

3D принтердің параметрлері: барлық бөліктер келесі параметрлермен басып шығарылады

• Диаметрі 0,4 мм саптама
• 15% материалды толтыру
• 0,2 мм биіктіктегі қабат

Дөңгелек

Адгезияны жоғарылату және сырғып кетпеу жағдайын қамтамасыз ету үшін таңдалған дөңгелектер резеңкемен жабылған. Қысқыш бұранда қозғалтқыш білігіне бекітілген дөңгелекті ұстайды. Дөңгелектің диаметрі кішігірім қадамдар мен жердің біркелкі еместігін өтетіндей үлкен болуы керек (бұл дөңгелектер диаметрі 65 мм).

Бекіту

Бір мотор блогымен жұмыс жасаған кезде, алдыңғы әрекеттерді қайталаңыз, содан кейін оларды M3 бұрандалармен қабатқа бекітіңіз.

3 -қадам: қосқыштар мен кабельді дайындау

Қозғалтқыш кабелін дайындау

Әдетте мотор-кодер кабельмен бірге келеді, оның бір жағында ПКД кодерінің артқы жағын қосатын 6 істікшелі қосқыш, ал екінші жағында жалаңаш сымдар бар.

Сіз оларды протоколға немесе тіпті Arduino-ға тікелей дәнекерлеуге мүмкіндігіңіз бар, бірақ мен оның орнына аналық түйреуіштер мен JST-XH коннекторларын қолдануды ұсынамын. Осылайша сіз оларды тақтаға қосуға/ажыратуға және құрастыруды жеңілдетуге болады.

Кеңестер: сіз сымдардың айналасына созылатын бұрандалы өрімді және коннекторлардың жанындағы шөгілетін түтіктің бөліктерін қоса аласыз, осылайша сіз «таза» кабель аласыз.

Қосқыш және жарық диоды

Екі қуат тізбегін қосу үшін 2 светодиоды мен қосқыш кабелін дайындаңыз: алдымен светодиодты түйреуіштің бірінде 470 кОм резисторды дәнекерлеңіз, содан кейін светодиодты бір істікшеге дәнекерлеңіз. Мұнда резисторды жасыру үшін қысқаратын түтікті пайдалануға болады. Жарық диодты дұрыс бағытта дәнекерлеу үшін абай болыңыз! Екі қосқыш/жарықдиодты кабель алу үшін осы әрекетті қайталаңыз.

Ассамблея

Бұрын жасалған кабельдерді тиісті 3D басып шығарылған бөлікке жинаңыз. Коммутаторды ұстап тұру үшін гайканы қолданыңыз, светодиодтарға желім қажет емес, оны тесікке бекіту үшін жеткілікті күш қажет.

4 -қадам: Электронды тақталарды сыммен қосу

Тақталардың орналасуы

Сымдардың санын азайту үшін Arduino тақтасының орналасуына сәйкес келетін прото-тақта қолданылады. Прото-тақтаның жоғарғы жағында L298N Dupont әйел тақырыбымен жинақталған (Dupont-«Arduino тәрізді» тақырыптары).

L298N препараты

Бастапқыда L298N тақтасы ерлерге арналған Dupont тақырыбымен бірге келмейді, тақтаның астына 9 түйреуішті қосу қажет. Суретте көріп тұрғандай, қолданыстағы тесіктерге параллель диаметрі 1 мм бұрғылау ұңғымасы бар 9 тесікті іске асыру қажет. Содан кейін 2 қатардың сәйкес түйреуіштерін дәнекерлеу материалдарымен және қысқа сымдармен байланыстырыңыз.

L298N түйреуіші

L298N жылдамдық пен бағытты басқаруға мүмкіндік беретін 2 арнадан тұрады:

бірінші арна үшін IN1, IN2, екіншісі үшін IN3 және IN4 деп аталатын 2 цифрлық шығыс арқылы бағыт

бірінші арна үшін ENA, екіншісі үшін ENB деп аталатын 1 цифрлық шығыс арқылы жылдамдық

Мен Arduino көмегімен келесі шығуды таңдадым:

сол жақ қозғалтқыш: IN1 3 -ші істікте, IN2 4 -ші істікте, ENA 2 -ші істікте

оң қозғалтқыш: IN3 5 -ші істікте, IN4 6 -шы істікте, ENB 7 -ші істікте

5В реттегіш

Тіпті l298N әдетте 5В қамтамасыз ете алатын болса да, мен әлі де шағын реттеушіні қосамын. Ол Arduino -ны VIN порты мен қозғалтқыштардағы 2 кодер арқылы қуаттандырады. Сіз бұл қадамды кіріктірілген L298N 5V реттегішінің көмегімен өткізіп жібере аласыз.

JST коннекторлары мен кодтағыштың шығуы

JST-XH коннекторы бар 4 істікшелі әйел адаптерлерін қолданыңыз, олардың әрқайсысы келесіге байланысты:

• Реттегіштен 5В
• жер
• екі сандық кіріс порты (мысалы: оң жақ кодер үшін 34 және 38 және сол жақ үшін 26 және 30)

Қосымша I2C

Сіз байқағандай, прото-тақтада қосымша 4pin JST қосқышы бар. Ол IMU сияқты I2C құрылғысын қосу үшін қолданылады, сіз де солай жасай аласыз, тіпті өзіңіздің жеке портыңызды қоса аласыз.

5 -қадам: Motor Group және Arduino төменгі қабатта

Мотор блоктарын бекіту

Төменгі қабат 8 Turtlebot тақталарымен жиналғаннан кейін, мотор блоктарын ұстау үшін кірістірулерде тікелей M3 4 бұрандасын қолданыңыз. Содан кейін қозғалтқыштың қуат сымдарын L298N шығысына және бұрын жасалған кабельдерді JST протоколына қосуға болады.

Қуаттың таралуы

Қуатты бөлу терминалды блоктың көмегімен жүзеге асады. Кедергінің бір жағында LiPo батареясына қосылу үшін XT60 әйел штепсельдік кабелі бұралған. Екінші жағынан, бұрын дәнекерленген екі жарықдиодты/қосқыш кабелі бұрандалы. Осылайша, әрбір тізбекті (Motor және Arduino) жеке қосқышпен және сәйкес жасыл жарықдиодты қосуға болады.

Кабельді басқару

Сізге тез арада көптеген кабельдермен күресуге тура келеді! Лас аспектіні азайту үшін бұрын 3D басып шығарылған «кестені» қолдануға болады. Үстелде электронды тақтаны екі жақты таспамен ұстаңыз, ал үстелдің астында сымдар еркін ағып тұрсын.

Батареяға қызмет көрсету

Роботты басқарған кезде батареяны шығарып алмау үшін шашқа серпімді жолақты қолдануға болады.

Роликті дөңгелек

Шын мәнінде роликті дөңгелек емес, төменгі қабатта 4 бұрандамен бекітілген қарапайым жартылай сфера. Бұл роботтың тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін жеткілікті.

6 -қадам: бір қабатты компьютер мен жоғарғы қабаттағы сенсорлар

Қандай бір тақталы компьютерді таңдау керек?

Маған сізге әйгілі Raspberry Pi ұсынудың қажеті жоқ, оны қолдану жағдайлары робототехника өрісінен асып түседі. Бірақ Raspberry Pi үшін әлдеқайда күшті қарсылас бар, оны елемеуге болады. Шынында да Nvidia-дан шыққан Jetson Nano процессорына қосымша 128 ядролы графикалық картаны қосады. Бұл графикалық карта кескінді өңдеу немесе нейрондық желіні шығару сияқты есептік қымбат тапсырмаларды жеделдету үшін жасалған.

Бұл жоба үшін мен Jetson Nano -ны таңдадым және сіз оған сәйкес 3D бөлігін қоса берілген файлдардың арасынан таба аласыз, бірақ егер сіз Raspberry Pi -мен бірге барғыңыз келсе, мұнда көптеген басып шығарылатын жағдайлар бар.

5В реттегіш

Сіз роботқа қандай тақта орнатуды шешсеңіз де, сізге 5В реттегіш қажет. Соңғы Raspberry Pi 4 -ке максимум 1,25A қажет, бірақ Jetson Nano 3А дейін кернеуді қажет етеді, сондықтан мен Pololu 5V 6A -ны болашақ компоненттерге (сенсорлар, шамдар, қадамдар …) қуат резерві үшін таңдадым, бірақ кез келген 5В 2А арзан болуы керек. жұмыс. Jetson 5,5мм тұрақты ток баррелі мен Пи микро USB пайдаланады, сәйкес кабельді алып, оны реттегіш шығысына дәнекерлейді.

LIDAR макеті

Мұнда қолданылатын LIDAR-LDS-01, RPLidar A1/A2/A3, YDLidar X4/G4 немесе тіпті Hokuyo LIDARs сияқты қолдануға болатын басқа 2D LIDAR бар. Жалғыз талап - бұл USB арқылы қосылып, құрылымның ортасында орналасуы керек. Шынында да, егер LIDAR жақсы орталықтандырылмаған болса, SLAM алгоритмімен жасалған карта қабырғалардың болжамды орнын және кедергілерді олардың нақты орнынан жылжытуы мүмкін. Сондай -ақ, егер роботтың кедергілері лазер сәулесінен өтсе, ол көру ауқымы мен көрінісін азайтады.

LIDAR монтаждау

LIDAR пішініне сәйкес келетін 3D басып шығарылған бөлікке орнатылған, бөлшектің өзі тіктөртбұрышты табақшада орналасқан (шын мәнінде суреттегі фанера, бірақ оны 3D басып шығаруға да болады). Содан кейін адаптер бөлігі ансамбльді тасбақаның жоғарғы тақтасына нейлон аралықтармен бекітуге мүмкіндік береді.

Камера қосымша сенсор немесе LIDAR ауыстыру ретінде

Егер сіз LIDAR -ға тым көп ақша жұмсағыңыз келмесе (бағасы шамамен 100 доллар), камераны іздеңіз: тек бір көзді RGB камерамен жұмыс істейтін SLAM алгоритмдері бар. SBC екеуі де USB немесе CSI камерасын қабылдайды.

Сонымен қатар, камера компьютерді көру мен объектілерді анықтау сценарийлерін іске қосуға мүмкіндік береді!

Ассамблея

Роботты жаппас бұрын кабельдерді жоғарғы тақтаның үлкен тесіктерінен өткізіңіз:

• 5В реттегіштен сіздің SBC -ге сәйкес келетін кабель
• USB кабелі Arduino DUE бағдарламалау портынан (DC барреліне ең жақын) сіздің SBC USB портына

Содан кейін үстіңгі тақтаны ондаған бұрандалармен ұстаңыз. Сіздің робот енді бағдарламалануға дайын, ЖАҚСЫ!

7 -қадам: Оны жылжытыңыз

Arduino құрастырыңыз

Өзіңіздің сүйікті Arduino IDE -ді ашып, own_turtlebot_core деп аталатын жоба қалтасын импорттаңыз, содан кейін тақтаны және сәйкес портты таңдаңыз, сіз осы керемет оқулыққа жүгіне аласыз.

Негізгі параметрлерді реттеңіз

Жоба екі файлдан тұрады және біреуін сіздің роботқа бейімдеу қажет. Сонымен, own_turtlebot_config.h ашып, қай сызықтар назар аударуды қажет ететінін анықтайық:

#define ARDUINO_DUE // ** СЫЙЛЫҚТЫ ПАЙДАЛАНМАСАҢЫЗ, осы жолға түсініктеме беріңіз **

Жолға түсініктеме бермесе, оны тек Arduino DUE -мен қолдану керек.

#анықтаңыз

#анықтаңыз RATE_CONTROLLER_KD 5000000000000.0 // ** БҰЛ МӘНДІ РЕТТЕҢІЗ ** #RATE_CONTROLLER_KI 0.00005 // ** ОСЫ МӘНДІ РЕТТЕҢІЗ **

Бұл 3 параметр қажетті жылдамдықты ұстап тұру үшін PID қолданатын жылдамдық реттегішінің табысына сәйкес келеді. Батарея кернеуіне, роботтың массасына, доңғалақтың диаметріне және қозғалтқыштың механикалық берілісіне байланысты олардың мәндерін бейімдеу қажет болады. PID - бұл классикалық контроллер, және сіз мұнда егжей -тегжейлі айтылмайтын боласыз, бірақ бұл сілтеме сізге өзіңіздің баптауларыңыз үшін жеткілікті кіріс береді.

/ * Түйреуіштерді анықтау */

// қозғалтқыш A (оң жақта) const байтты motorRightEncoderPinA = 38; // ** PIN NB МЕНЕН ӨЗГЕРТУ ** const байтты motorRightEncoderPinB = 34; // ** PIN NB МЕНЕН ӨЗГЕРТУ ** const байт enMotorRight = 2; // ** PIN NB МЕНЕН ӨЗГЕРТУ ** const байт in1MotorRight = 4; // ** PIN NB МЕНЕН ӨЗГЕРТУ ** const байт in2MotorRight = 3; // ** PIN NB ПІНДЕН ӨЗГЕРТУ ** // қозғалтқыш B (сол жақ) const байтты motorLeftEncoderPinA = 26; // ** PIN NB МЕНЕН ӨЗГЕРТУ ** const байтты motorLeftEncoderPinB = 30; // ** PIN NB МЕНЕН ӨЗГЕРТУ ** const байт enMotorLeft = 7; // ** PIN NB МЕНЕН ӨЗГЕРТУ ** const байт in1MotorLeft = 6; // ** PIN NB МЕНЕН ӨЗГЕРТУ ** const байт in2MotorLeft = 5; // ** ПИН -ЖАҢЫҢЫЗДЫ ӨЗГЕРТУ **

Бұл блок L298N мен Arduino арасындағы түйісуді анықтайды, тек сіздің нөміріңізге сәйкес келетін PIN нөмірін өзгертіңіз. Конфигурациялық файлды жасағаннан кейін кодты құрастырыңыз және жүктеңіз!

ROS орнатыңыз және конфигурациялаңыз

Бұл қадамға жеткеннен кейін, нұсқаулар TurtleBot3 -тің тамаша нұсқаулығында көрсетілген нұсқаулармен дәл сәйкес келеді, сіз мұқият орындауыңыз керек.

Жақсы TurtleBot 3 енді сіздікі және сіз ROS көмегімен барлық бар пакеттер мен оқулықтарды іске қоса аласыз.

Жақсы, бірақ ROS дегеніміз не?

ROS роботтар операциялық жүйесін білдіреді, бұл бастапқыда өте күрделі болып көрінуі мүмкін, бірақ бұл аппараттық құралдар (сенсорлар мен жетектер) мен бағдарламалық қамтамасыз ету (навигация, басқару, компьютерлік көру алгоритмдері) арасындағы байланыс әдісін елестетіп көріңіз. Мысалы, сіз ағымдағы LIDAR -ды басқа модельмен оңай алмастыра аласыз, себебі әр LIDAR бірдей LaserScan хабарламасын жариялайды. ROS кеңінен қолданылады - робототехника, Бірінші мысалды іске қосыңыз

ROS үшін «сәлем әлемі» баламасы қашықтағы компьютер арқылы роботыңызды телеоперациялаудан тұрады. Сіз не істегіңіз келеді, моторды айналдыру үшін жылдамдық пәрмендерін жіберу керек, командалар осы құбырға сәйкес келеді:

• қашықтағы компьютерде жұмыс істейтін turtlebot_teleop түйіні Twist хабарламасын қамтитын «/cmd_vel» тақырыбын жариялайды
• бұл хабарлама ROS хабарламалар желісі арқылы SBC -ге жіберіледі
• сериялық түйін Arduino -да «/cmd_vel» алуға мүмкіндік береді
• Arduino хабарламаны оқиды және роботтың қажетті сызықтық және бұрыштық жылдамдығына сәйкес әр қозғалтқыштағы бұрыштық жылдамдықты орнатады.

Бұл операция қарапайым және жоғарыда көрсетілген пәрмен жолдарын іске қосу арқылы қол жеткізуге болады! Толық ақпарат алғыңыз келсе, бейнені қараңыз.

[SBC]

roscore

[SBC]

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

[Қашықтағы компьютер]

экспорттау TURTLEBOT3_MODEL = $ {TB3_MODEL}

roslaunch turtlebot3_teleop turtlebot3_teleop_key.launch

Әрі қарай жүру үшін

Нұсқаулықта барлық ресми мысалдарды қолданар алдында сіз соңғы нәрсені білуіңіз керек, бұл нұсқаулықпен кездескен сайын:

roslaunch turtlebot3_bringup turtlebot3_robot.launch

оның орнына бұл пәрменді SBC -те іске қосу қажет:

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

Егер сізде LIDAR сіздің SBC -де байланысты пәрменді іске қосса, менің жағдайда LDS01 төмендегі жолмен іске қосылады:

roslaunch hls_lfcd_lds_driver hlds_laser.launch

Міне, сіз өз тасбақаңызды түпкілікті құрдыңыз:) Сіз ROS -тың керемет мүмкіндіктерін ашуға, көру мен машиналық оқыту алгоритмдерін кодтауға дайынсыз.