Robot Self-balancing: 6 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Dalam Instructable ini kami akan menunjukkan kepada Anda bagaimana membangun robot self-balancing yang kami buat sebagai proyek sekolah. Ini didasarkan pada beberapa robot lain, seperti nBot dan Instructable lainnya. Robot dapat dikendalikan dari smartphone Android melalui koneksi Bluetooth. Karena Instruksi ini hanya mencakup proses pembuatan, kami juga telah menulis dokumen untuk mencakup latar belakang teknis kode dan elektronik. Ini juga berisi tautan ke sumber yang digunakan, sehingga Anda dapat melihatnya jika dokumen tidak cukup komprehensif untuk Anda.

Untuk mengikuti semua langkah proyek ini, Anda memerlukan beberapa keterampilan pencetakan 3D atau cara cerdas lainnya untuk memasang roda ke motor.

Langkah 1: Persyaratan

Robot ini didasarkan pada papan pengontrol gimbal tanpa sikat Martinez. Ada beberapa variasi kecil dari papan ini, tetapi selama Anda memilikinya dengan chip ATmega328 dan pengontrol motor L6234, Anda akan baik-baik saja. Jika Anda mencari "papan Martinez" di Gambar Google, Anda akan melihat ada beberapa papan dengan konektor yang mudah untuk chip dan/atau baterai IMU, alih-alih pin header atau lubang. Dalam kasus terakhir, ini akan berguna jika Anda memesan sebungkus pin header, yang kemudian dapat Anda solder ke dalam lubang.

Daftar bagian

Beberapa item dalam daftar ini berisi tautan ke toko web.

• Controller: Martinez BoardDX.com (juga dilengkapi dengan IMU dan beberapa pin header).
• IMU: MPU6050
• Baterai (baterai 3S LiPo 450 mAh) Catatan: Anda juga memerlukan pengisi daya 3S LiPo eBay.com
• 2x Motor: Motor tanpa sikat 2208, KV100DX.com
• Roda (Anda bisa mendapatkannya dari mainan yang ada atau LEGO)
• 6x M2 sekrup 5 mm
• 8x M3 sekrup (panjang tergantung pada bahan untuk eksterior Anda, salah satu harus ekstra panjang)
• Chip Bluetooth HC-05 (pastikan untuk mendapatkannya dengan papan antarmuka serial terpasang, bukan hanya chip kosong)PENTING: Pastikan chip memiliki pin berlabel KUNCI.
• Kabel: DuPont Wanita ke WanitaMembeli paket berisi 20 kabel sudah lebih dari cukup
• Pita Velcro
• Kabel USB untuk menghubungkan pengontrol ke PC
• Opsional: Header pinsDX.com (Anda dapat memotong atau mematahkannya sesuai panjang yang diinginkan)
• Mesin cuci dan spacer plastik

Terakhir, Anda memerlukan beberapa akrilik, kayu atau karton-disertai dengan lem atau selotip-untuk membuat struktur yang menahan semua komponen.

Langkah 2: Konfigurasi Chip Bluetooth

Setelah Anda menguasai semua bagian, saatnya untuk konfigurasi chip Bluetooth. Anda memerlukan kabel USB untuk menghubungkan papan pengontrol yang terhubung ke komputer Anda serta Arduino IDE untuk berkomunikasi dengan komponen.

Untuk ini, Anda harus mengunduh file:

HC-05_Serial_Interface.ino

Kemudian ikuti langkah-langkah ini:

1. Hubungkan pengontrol ke komputer Anda dengan kabel USB.
2. Buka file.ino dengan Arduino IDE.
3. Di IDE, buka Tools, Board dan pastikan sudah diatur ke Arduino/Genuino Uno.
4. Sekarang pergi ke Tools, Port dan atur ke port COM yang terhubung dengan controller. Biasanya hanya ada satu port. Jika ada beberapa, periksa Pengelola Perangkat (di Windows) untuk mengetahui yang mana pengontrolnya.
5. Sekarang, tekan tombol Unggah di IDE dan tunggu sampai unggahan selesai. Kemudian, lepaskan kabel USB dari komputer atau pengontrol.

Setelah Anda selesai melakukannya, sambungkan HC-05 menggunakan kabel DuPont sebagai berikut:

Pengontrol HC-05

KUNCI +5V GND GND TXD RX RXD TX

Sekarang pasang kembali kabel USB, lalu sambungkan pin VCC HC-05 ke +5V lain pada pengontrol. LED harus berkedip dengan interval ~1 detik.

Di Arduino IDE, pilih port COM yang benar, lalu buka Tools, Serial Monitor.

Atur opsi Line Ending di Serial Monitor ke Both NL & CR. Atur kecepatan Baud ke 38400. Sekarang Anda dapat menggunakan Serial Monitor untuk mengirim perintah pengaturan ke chip Bluetooth. Ini adalah perintah-perintahnya:

Masuk Periksa koneksi

AT+NAME Dapatkan/setel nama tampilan Bluetooth AT+UART Dapatkan/setel baud rate AT+ORGL Setel ulang default pabrik AT+PSWD Dapatkan/setel sandi Bluetooth

Untuk mengubah nama, kata sandi, dan kecepatan baud perangkat Bluetooth, kirimkan perintah berikut:

AT+NAME="Nama Contoh"

AT+PSWD="PassWord123" AT+UART="230400, 1, 0"

Opsi Nama dan Kata Sandi dapat diatur ke apa pun yang Anda inginkan, pastikan untuk mengatur kecepatan baud menggunakan perintah yang sama persis seperti yang tercantum di atas. Ini set ke 230400 baud, dengan 1 stop bit dan tanpa paritas. Setelah mengatur semuanya, sambungkan kembali kabel USB (untuk keluar dari mode pengaturan) dan coba pasangkan telepon Anda ke chip. Jika semuanya berfungsi, lepaskan kabel USB dan lanjutkan ke langkah berikutnya.

Langkah 3: Memasang Roda ke Motor

Roda yang digunakan dalam proyek ini memiliki asal yang tidak diketahui (mereka tergeletak di dalam laci dengan banyak barang lainnya). Untuk memasang roda ke motor, kami mencetak potongan 3D yang cocok dengan lubang sekrup pada motor. Potongan-potongan itu disekrup menggunakan tiga sekrup 5 milimeter 2M per motor. Kedua bagian memiliki pin yang sesuai dengan lubang di sumbu roda.

Model SolidWorks disertakan. Anda mungkin harus memodifikasinya untuk roda Anda, atau mencari solusi praktis yang berbeda agar sesuai dengan roda. Misalnya, Anda dapat menggunakan Dremel untuk membuat lubang dengan ukuran yang sama dengan motor (atau sedikit lebih kecil agar pas), lalu Anda dapat menekan motor ke roda. Pastikan untuk mendapatkan roda yang sesuai untuk pekerjaan ini jika Anda berencana untuk melakukan ini.

Langkah 4: Membuat Eksterior

Untuk eksterior, dua potong kayu digunakan dan dipotong dengan bentuk yang sama. Untuk memulai, kami menandai keliling motor di bagian tengah bawah potongan. Kami kemudian menandai setiap sudut dengan garis 45 derajat, memastikan untuk memberikan ruang yang cukup bagi motor untuk duduk di tengah bawah. Kami kemudian menjepit kedua potongan kayu itu bersama-sama dan menggergaji sudut-sudutnya. Untuk menyelesaikannya, kami mengampelas sudutnya agar kurang tajam dan menghilangkan serpihan.

Sekarang saatnya mengebor lubang untuk sekrup dan sumbu yang menonjol dari belakang motor. Jika Anda menjepit potongan kayu saat mengebor, Anda hanya perlu mengebor setiap lubang satu kali.

Untuk membuat tata letak lubang sekrup, kami menggunakan selembar kertas dan meletakkannya di bagian belakang motor dan menggunakan pensil untuk menekan lubang sekrup, menembus kertas. Potongan kertas dengan empat lubang ulir itu kemudian ditempelkan di atas kayu agar kita bisa menandai letak lubang yang akan dibor. Untuk mengebor lubang, gunakan bor 3, 5 mm. Sekarang, gunakan pensil dan penggaris untuk menemukan pusat lubang ini dan buat lubang untuk sumbu menggunakan bor 5 mm. Pasang motor dengan sekrup M3, tetapi biarkan salah satu sekrup dengan jarak lebih lebar dari satu motor.

Untuk mendapatkan konektor motor dan kabel di dalam robot, kami juga mengebor lubang 8 mm sedikit di atas motor. Pastikan ada cukup ruang untuk menekuk kabel tanpa terlalu menekannya.

Sangat penting untuk bekerja setepat mungkin untuk menciptakan eksterior simetris (hampir) sempurna

Langkah 5: Memasang Komponen

Tandai garis tengah vertikal pada kayu sehingga Anda dapat menempatkan komponen di tengah. Anda dapat menempelkan semuanya ke kayu menggunakan pita velcro. Di robot kami, kami menggunakan baut dan mur kecil untuk mengamankan papan pengontrol, tetapi Anda juga dapat menggunakan pita velcro (kami belum memilikinya saat memasang pengontrol). Pastikan Anda dapat mencolokkan kabel USB setelah menyelesaikan konstruksi.

Kami menempatkan pengontrol di tengah dengan port USB mengarah ke bawah, sehingga kami dapat mencolokkan kabel dari antara roda. Anda juga dapat mengarahkannya ke salah satu sisi.

Tempatkan baterai setinggi mungkin, sehingga robot menjadi sangat berat. Tempatkan juga port pengisian daya di tempat yang mudah dijangkau di dekat tepi.

Chip Bluetooth

Hubungkan pin VCC chip Bluetooth ke +5V pada pengontrol, dan Bluetooth GND ke GND pengontrol. Pin TXD pengontrol menuju ke Bluetooth RX dan pin RXD pada pengontrol menuju ke pin Bluetooth TX. Kemudian cukup tempelkan chip Bluetooth di suatu tempat di panel kayu menggunakan pita velcro.

chip gerak

Chip gerak memiliki dua lubang sekrup, jadi kami memasang chip menggunakan spacer, sedemikian rupa sehingga bagian tengah chip jatuh di atas bagian tengah motor. Orientasinya tidak masalah, karena robot mengkalibrasi dirinya sendiri saat booting. Pastikan untuk menggunakan mesin cuci plastik di bawah kepala sekrup untuk mencegah korsleting sirkuit.

Kemudian gunakan kabel DuPont untuk menghubungkan pin ke pengontrol. Setiap pin diberi label yang sama pada pengontrol seperti pada chip gerak, jadi menghubungkannya cukup jelas.

Saklar daya

Menghubungkan sakelar daya itu mudah. Kami mengambil satu dari perangkat lama, dan mematrinya dari papan sirkuitnya. Untuk menggunakannya sebagai sakelar daya untuk robot, Anda menghubungkan kabel positif baterai ke pin (dengan asumsi itu adalah sakelar tiga pin) di sisi yang ingin Anda jadikan posisi sakelar hidup. Kemudian, sambungkan pin tengah ke input daya positif pengontrol. Kami menyolder kabel DuPont ke sakelar, sehingga baterai itu sendiri tidak terpasang secara permanen ke sakelar.

Menghubungkan sisi

Sekarang Anda tahu lokasi komponen dan Anda memiliki kedua sisi robot. Langkah terakhir dalam membangun robot adalah menghubungkan dua sisi satu sama lain. kami menggunakan empat set tiga potong kayu yang direkatkan dan disekrup ke samping sehingga chip gerak kami berada di poros tengah robot. Harus dikatakan bahwa bahan yang digunakan, asalkan cukup kuat, tidak terlalu penting. Anda bahkan dapat menggunakan sambungan yang lebih berat di bagian atas untuk meningkatkan ketinggian pusat massa lebih banyak lagi. Tetapi tidak seperti posisi vertikal pusat massa, posisi horizontal pusat massa harus dipertahankan sebanyak mungkin, di atas sumbu roda, karena pengkodean kode untuk chip gerak akan menjadi agak sulit jika pusat horizontal pengungsi massal.

Sekarang Anda siap mengunggah kode dan menyetel pengontrol.

Langkah 6: Mengunggah dan Menyetel Kode

Untuk mengunggah kode, Anda memerlukan komputer dengan Arduino IDE. Unduh file.ino di bawah ini dan buka dengan Arduino IDE. Mengunggahnya ke pengontrol dilakukan dengan cara yang sama seperti yang Anda lakukan dengan kode dari pengaturan Bluetooth.

Untuk membuat robot bekerja, Anda perlu mengunduh aplikasi 'Joystick bluetooth Commander' dari Play Store. Nyalakan daya robot dan letakkan di lantai, di bagian depan atau belakang. Luncurkan aplikasi dan sambungkan ke chip Bluetooth. Datafield 1 akan berubah dari XXX ke READY setelah robot mengkalibrasi dirinya sendiri (5 detik untuk meletakkannya di sisinya, diikuti oleh 10 detik kalibrasi). Anda dapat mengaktifkan robot dengan mengaktifkan tombol 1 di aplikasi. Sekarang letakkan robot secara vertikal di tanah dan lepaskan begitu Anda merasakan motor menyala. Ini adalah saat robot mulai menyeimbangkan dirinya sendiri.

Robot sekarang siap untuk disetel, karena stabilitasnya mungkin tidak bagus. Anda dapat mencoba jika itu berfungsi tanpa penyetelan tambahan, tetapi Anda harus membuat robotnya cukup identik dengan robot kami agar dapat berfungsi dengan baik. Jadi, dalam kebanyakan kasus, Anda harus menyetel pengontrol agar berfungsi paling baik dengan robot Anda. Cukup mudah, meski cukup memakan waktu. Berikut cara melakukannya:

Menyetel pengontrol

Di suatu tempat dalam kode Anda akan menemukan 4 variabel, dimulai dengan k. Ini adalah kp, kd, kc dan kv. Mulailah dengan mengatur semua nilai ke nol. Nilai pertama yang ditetapkan adalah kp. Nilai kp default adalah 0,17. Coba atur ke sesuatu yang jauh lebih rendah seperti 0,05. Matikan robot, unggah kode dan lihat bagaimana ia mencoba menyeimbangkan. Jika jatuh ke depan, tingkatkan nilainya. Cara paling cerdas untuk melakukan ini adalah dengan menginterpolasi:

1. Tetapkan nilainya ke sesuatu yang rendah dan cobalah
2. Tetapkan nilai ke sesuatu yang tinggi dan cobalah
3. Tetapkan nilainya menjadi rata-rata dari keduanya dan cobalah
4. Sekarang coba cari tahu apakah itu seimbang lebih baik pada nilai rendah atau tinggi dan rata-rata nilai saat ini dan yang di mana ia bekerja lebih baik.
5. Lanjutkan sampai Anda menemukan sweet spot

Titik manis untuk nilai kp adalah ketika berada di sekitar batas under- dan overcompensating. Jadi kadang-kadang akan jatuh ke depan karena tidak bisa mengimbangi kecepatan jatuhnya, dan di lain waktu akan jatuh ke belakang karena melampaui arah yang berbeda.

Setelah Anda menetapkan nilai kp, setel kd. Ini dapat dilakukan dengan cara yang sama seperti yang Anda lakukan dengan kp. Tingkatkan nilai ini hingga robot hampir seimbang, sehingga akan berayun maju mundur hingga terjatuh. Jika Anda mengaturnya terlalu tinggi, Anda sudah bisa menyeimbangkannya dengan cukup rapi, tetapi ketika keseimbangannya terlalu terganggu, itu akan jatuh (seperti saat Anda mendorongnya). Jadi cobalah menemukan tempat yang tidak cukup seimbang, tetapi cukup dekat.

Seperti yang Anda duga, menyetel pengontrol mungkin memerlukan beberapa kali percobaan karena semakin sulit dengan setiap variabel baru yang diperkenalkan. Jadi jika Anda pikir itu tidak akan berhasil, mulailah dari awal.

Sekarang saatnya untuk mengatur kv. Interpolasi ini sampai Anda menemukan nilai di mana robot berhenti berayun, tetap seimbang dan dapat menangani dorongan ringan. Ketika diatur terlalu tinggi, itu berdampak negatif pada stabilitas. Cobalah bermain-main dengan kv dan kp untuk menemukan titik yang paling stabil. Ini adalah langkah penyetelan yang paling memakan waktu.

Nilai terakhir adalah kc. Nilai ini membuat robot kembali ke posisi terakhirnya setelah mengimbangi dorongan atau sesuatu yang lain. Anda dapat mencoba metode interpolasi yang sama di sini, tetapi 0,0002 seharusnya bekerja cukup baik dalam banyak kasus.

Itu dia! Robot Anda sekarang sudah siap. Gunakan joystick pada ponsel cerdas Anda untuk mengontrol robot. Namun, berhati-hatilah, karena maju dengan kecepatan maksimum masih dapat membuat robot terjatuh. Bermain-main dengan variabel pengontrol untuk mengimbangi ini sebanyak mungkin. Langkah paling logis adalah melihat nilai kp untuk ini, karena itu secara langsung mengkompensasi sudut robot saat ini.

Catatan penting tentang baterai LiPo

Disarankan agar Anda secara teratur memeriksa tegangan baterai LiPo Anda. Baterai LiPo tidak boleh dikosongkan hingga kurang dari 3 volt per sel berukuran 9 volt pada LiPo 3S. Jika tegangan turun di bawah 3 volt per sel, akan terjadi kehilangan kapasitas baterai secara permanen. Jika tegangan turun di bawah 2,5 volt per sel, buang baterai dan beli yang baru. Mengisi daya sel LiPo dengan kurang dari 2,5 volt berbahaya karena resistansi internal menjadi sangat tinggi, mengakibatkan baterai panas dan potensi bahaya kebakaran saat mengisi daya.