O'z turtlebot robotini yarating!: 7 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:24

EDIT:

Dasturiy ta'minot va boshqaruv bilan bog'liq boshqa ma'lumotlarni ushbu havola orqali olish mumkin:

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

Kodga to'g'ridan -to'g'ri havola:

github.com/MattMgn/foxbot_core

Nima uchun bu loyiha?

Turtlebot 3 - elektronika, robototexnika va hatto AIga chuqur kirib boradigan mukammal platforma! Men sizga o'z kaplumbağangizni bosqichma-bosqich, arzon komponentlar bilan, xususiyatlar va ishlashdan voz kechmasdan qurishni taklif qilaman. Bir narsani yodda tuting: boshlang'ich robotdan eng yaxshisini, uning modulligini, soddaligini va ochiq manbali hamjamiyatdan avtonom navigatsiya va AI uchun juda ko'p sonli paketlarni saqlash.

Bu loyiha yangi boshlanuvchilar uchun elektronika, mexanika va kompyuter fanlari haqidagi tushunchalarni egallash va tajribali odamlar uchun sun'iy intellekt algoritmlarini sinab ko'rish va ishlab chiqish uchun kuchli platforma olish imkoniyatidir.

Ushbu loyihada nimani kashf etasiz?

Siz to'liq moslikni kafolatlash uchun asl botdan qaysi muhim mexanik va elektron qismlar saqlanishi kerakligini kashf qilmoqchisiz.

Butun qurilish jarayoni batafsil bayon qilinadi: 3D qismlarini bosib chiqarish, yig'ish va bir nechta komponentlarni, elektronni lehimlash va integratsiyalashdan Arduino -da kodni kompilyatsiya qilishgacha. Bu ko'rsatma sizni "salom dunyo" misolida yakunlab, sizni ROS bilan tanishtiradi. Agar biror narsa tushunarsiz bo'lib tuyulsa, bemalol savol bering!

Ta'minotlar

Elektronika:

ROS -ni ishlatish uchun 1 ta bitta taxtali kompyuter, masalan, Raspberry Pi yoki Jetson Nano bo'lishi mumkin

1 x Arduino DUE, siz UNO yoki MEGA -dan foydalanishingiz mumkin

Bu erda Arduino DUE pin-chiqishiga mos keladigan 1 ta protokart mavjud

Enkoderli 2 x 12V DC motorlar (100 RPM variant)

1 x L298N dvigatel haydovchisi

2 x 5V regulyator

1 x batareya (3S/4S LiPo batareyasi)

2 x ON/OFF kalitlari

2 x LED

2 x 470 kOhm rezistorlar

3 x 4 pinli JST ulagichlari

1 x USB kabeli (SBC va Arduino o'rtasida kamida bittasi)

Sensorlar:

1 x Oqim sensori (ixtiyoriy)

1 x 9 darajali erkinlik IMU (ixtiyoriy)

1 x LIDAR (ixtiyoriy)

Shassi:

16 x Turtlebot modulli plastinkalar (ularni 3D bosib chiqarish ham mumkin)

Diametri 65 mm bo'lgan 2 ta g'ildirak (kengligi 6 mm)

4 x neylon bo'shliqlar 30 mm (ixtiyoriy)

20 x M3 qo'shimchalar (ixtiyoriy)

Boshqalar:

Simlar

M2.5 va M3 vintlar va qo'shimchalar

3D printer yoki siz uchun qismlarni chop qila oladigan kishi

To'plamli qo'l matkapi shunga o'xshash

1 -qadam: tavsif

Bu robot - bu dvigatelga to'g'ridan -to'g'ri o'rnatilgan 2 g'ildirak va robotning yiqilishining oldini olish uchun orqa tomonga o'rnatilgan g'ildirakdan foydalanadigan oddiy differentsial haydovchi. Robot ikki qatlamga bo'lingan:

Pastki qavat: qo'zg'aluvchan guruhi (batareya, dvigatel va motorlar) va "past darajali" elektronika: Arduino mikrokontroller, voltaj regulyatori, kalitlari …

Yuqori qavat: "yuqori darajali" elektron bilan, ya'ni bitta taxtali kompyuter va LIDAR

Strukturaning mustahkamligini ta'minlash uchun bu qatlamlar bosilgan qismlar va vintlar bilan bog'langan.

Elektron sxemasi

Sxema biroz chalkash ko'rinishi mumkin. Bu sxematik chizma va u barcha simlarni, ulagichlarni va proto-taxtani aks ettirmaydi, lekin uni quyidagicha o'qish mumkin:

3000 mA / soat quvvatga ega 3S Litihum Ion Polimer batareyasi birinchi zanjirni quvvatlantiradi, u dvigatelni boshqarish platasini (L298N) ham, motor enkoderlari va Arduino uchun birinchi 5V regulyatorni ham quvvatlaydi. Ushbu sxema LEDni yoqish/o'chirish holatini ko'rsatuvchi kalit orqali yoqiladi.

Xuddi shu batareya ikkinchi zanjirni quvvatlantiradi, kirish quvvati 5 V ga aylanadi va bitta kartali kompyuterni quvvatlaydi. Bu erda, shuningdek, kontaktlarning zanglashiga olib o'tish LED va LED orqali amalga oshiriladi.

LIDAR yoki kamera kabi qo'shimcha sensorlarni to'g'ridan -to'g'ri Raspberry Pi -ga USB yoki CSI porti orqali qo'shish mumkin.

Mexanik dizayn

Robot ramkasi 16 ta bir xil qismdan iborat bo'lib, ular 2 kvadrat qatlamli (kengligi 28 sm) hosil bo'lgan. Ko'p teshiklar kerakli qismlarga qo'shimcha qismlarni o'rnatishga va to'liq modulli dizaynni taklif qilishga imkon beradi. Ushbu loyiha uchun men TurtleBot3 plitalarining asl nusxalarini olishga qaror qildim, lekin siz ularni 3D formatida chop etishingiz mumkin, chunki ularning dizayni ochiq manbali.

2 -qadam: Motor bloklarini yig'ish

Motorni tayyorlash

Birinchi qadam - har bir dvigatelga tebranish va shovqinni oldini olish uchun qalinligi 1 mm bo'lgan ko'pikli lentani qo'shish.

Bosilgan qismlar

Dvigatel ushlagichi ikkita qismdan iborat bo'lib, ular dvigatelni vitse kabi ushlab turadi. Dvigatelni ushlagichga mahkamlash uchun 4 ta vint.

Har bir ushlagich strukturaga o'rnatiladigan M3 qo'shimchalarini joylashtiradigan bir nechta teshiklardan iborat. Haqiqatdan ham ko'proq teshik bor, qo'shimcha teshiklarni oxir -oqibat qo'shimcha qismni o'rnatish uchun ishlatish mumkin.

3D printer sozlamalari: barcha qismlar quyidagi parametrlar bilan chop etiladi

• 0,4 mm diametrli ko'krak
• 15% materialni to'ldirish
• 0,2 mm balandlikdagi qatlam

G'ildirak

Tanlangan g'ildiraklar yopishqoqlikni oshirish va silliq siljish holatini ta'minlash uchun rezina bilan qoplangan. Siqish vidasi motor miliga o'rnatilgan g'ildirakni ushlab turadi. G'ildirakning diametri kichik pog'onali va tuproqli nosimmetrikliklar uchun etarli bo'lishi kerak (g'ildiraklar diametri 65 mm).

Fiksatsiya

Bitta motor bloki bilan bajarganingizdan so'ng, avvalgi operatsiyalarni takrorlang, so'ngra ularni M3 vintlari bilan qatlamga mahkamlang.

3 -qadam: kalitlar va kabelni tayyorlash

Dvigatel kabelini tayyorlash

Odatda dvigatel-kodlovchi simi bilan birga keladi, uning bir tomonida enkodator PCB-ning orqa qismini bog'laydigan 6-pinli ulagich va boshqa tomondan yalang'och simlar mavjud.

Siz ularni to'g'ridan-to'g'ri protokollar paneliga yoki hatto Arduino-ga lehimlashingiz mumkin, lekin men sizga ayol pinli sarlavhalar va JST-XH ulagichlaridan foydalanishni maslahat beraman. Shunday qilib, siz ularni taxtangizga ulashingiz/ajratishingiz va yig'ilishni osonlashtirishingiz mumkin.

Maslahatlar: siz simlar atrofiga kengaytiruvchi qisqich o'rash va ulagichlar yaqinidagi qisish trubkasini qo'shishingiz mumkin, shunda siz "toza" kabel olasiz.

Kalit va LED

Ikkala quvvat sxemasini yoqish uchun ikkita LEDni va kabelni almashtiring: dastlab LED pinining birida 470 kOhmlik rezistorni lehimlang, so'ngra LEDni bitta kalitga lehimlang. Bu erda siz rezistorni ichkariga yashirish uchun qisqaruvchi naychadan foydalanishingiz mumkin. LEDni to'g'ri yo'nalishda lehimlashda ehtiyot bo'ling! Ikkita kalit/simi olish uchun ushbu amalni takrorlang.

O'rnatish

Oldindan qilingan kabellarni 3D bosilgan mos keladigan qismga yig'ing. Kalitni ushlab turish uchun nonni ishlating, svetodiodlarga elim kerak emas, uni teshikka o'rnatish uchun etarli kuch.

4 -qadam: Elektron platalarni ulash

Kengashlar tartibi

Simlar sonini kamaytirish uchun Arduino taxtasi sxemasiga mos keladigan proto-taxtadan foydalaniladi. L298N proto-taxtasining yuqori qismida Dupont ayol sarlavhasi o'rnatilgan (Dupont-"Arduino kabi" sarlavhalari).

L298N tayyorlash

Dastlab, L298N taxtasi mos keladigan erkak Dupont sarlavhasi bilan ta'minlanmagan, siz taxtaning ostiga 9 pinli qatorni qo'shishingiz kerak. Rasmda ko'rib turganingizdek, mavjud teshiklarga parallel ravishda 1 mm diametrli matkapli 9 ta teshikni amalga oshirish kerak. Keyin 2 qatorning mos keladigan pinlarini lehim materiallari va qisqa simlar bilan bog'lang.

L298N pinli chiqish

L298N tezligi va yo'nalishini boshqarishga imkon beruvchi 2 ta kanaldan iborat:

Birinchi kanal uchun IN1, IN2, ikkinchisi uchun IN3 va IN4 deb nomlangan ikkita raqamli chiqish orqali yo'nalish

birinchi kanal uchun ENA, ikkinchisi uchun ENB deb nomlangan 1 raqamli chiqish orqali tezlik

Men Arduino-da quyidagi pinni tanladim:

chap dvigatel: 3 -pinda IN1, 4 -pinda IN2, 2 -pinda ENA

o'ng dvigatel: 5 -pinli IN3, 6 -pinli IN4, 7 -pinli ENB

5V regulyator

Hatto l298N odatda 5V ga ega bo'lsa ham, men hali ham kichik regulyator qo'shaman. U Arduino -ni VIN porti va dvigatellardagi 2 ta kodlovchi orqali quvvatlaydi. Siz to'g'ridan-to'g'ri o'rnatilgan L298N 5V regulyatori yordamida bu bosqichni o'tkazib yuborishingiz mumkin.

JST ulagichlari va Encoder pin-chiqishi

4 ta pinli JST-XH ulagichli ayol adapteridan foydalaning, har bir ulagich quyidagilar bilan bog'lanadi:

• Regulyatordan 5V
• er
• ikkita raqamli kirish porti (masalan: o'ng enkoder uchun 34 va 38 va chap tomon uchun 26 va 30)

Qo'shimcha I2C

Ko'rib turganingizdek, prototipda qo'shimcha 4pinli JST ulagichi mavjud. U IMU kabi I2C qurilmasini ulash uchun ishlatiladi, siz ham shunday qilishingiz va hatto o'z portingizni qo'shishingiz mumkin.

5 -qadam: Motor Group va Arduino pastki qavat

Motor bloklarini mahkamlash

Pastki qatlam 8 Turtlebot plitalari bilan yig'ilgandan so'ng, motor bloklarini saqlash uchun to'g'ridan -to'g'ri qo'shimchalarga 4 M3 vintni ishlating. Keyin siz dvigatel quvvat simlarini L298N chiqishlariga va ilgari ishlab chiqarilgan kabellarni JST protokartli ulagichlariga ulashingiz mumkin.

Quvvat taqsimoti

Quvvat taqsimoti oddiygina to'siq terminal bloki yordamida amalga oshiriladi. To'siqning bir tomonida LiPo batareyasiga ulanish uchun XT60 ayol vilkasi bo'lgan simi vidalanadi. Boshqa tomondan, ilgari lehimlangan ikkita LED/kalit kabeli vidalanadi. Shunday qilib, har bir elektronni (Motor va Arduino) o'z kaliti va tegishli yashil LED bilan yoqish mumkin.

Kabelni boshqarish

Tezda siz ko'plab kabellar bilan shug'ullanishingiz kerak bo'ladi! Nopoklikni kamaytirish uchun siz ilgari 3D bosilgan "jadval" dan foydalanishingiz mumkin. Stolda elektron platalaringizni ikki tomonlama lenta bilan saqlang va stol tagida simlar erkin oqishiga ruxsat bering.

Batareyani saqlash

Robotni boshqarayotganda batareyani chiqarib yubormaslik uchun, sochlar uchun elastik tasmadan foydalanish mumkin.

Rolikli g'ildirak

Aslida rulon emas, balki pastki qavatdagi 4 vint bilan mahkamlangan oddiy yarim shar. Robotning barqarorligini ta'minlash kifoya.

6 -qadam: Yagona taxtali kompyuter va yuqori qavatdagi sensorlar

Qaysi bitta taxtali kompyuterni tanlash kerak?

Men sizga mashhur Raspberry Pi -ni taqdim etishim shart emas, uning ishlatilish hollari robototexnika sohasidan ko'p. Ammo Raspberry Pi uchun siz undan ko'ra kuchliroq raqib bor. Haqiqatan ham, Nvidia-dan Jetson Nano protsessoriga qo'shimcha ravishda kuchli 128 yadroli grafik kartani o'z ichiga oladi. Bu aniq grafik karta tasvirni qayta ishlash yoki neyron tarmoq xulosasi kabi hisoblash ishlarini tezlashtirish uchun ishlab chiqilgan.

Ushbu loyiha uchun men Jetson Nano ni tanladim va unga biriktirilgan fayllar orasidan tegishli 3D qismini topishingiz mumkin, lekin agar siz Raspberry Pi bilan borishni istasangiz, bu erda chop etiladigan holatlar ko'p.

5V regulyator

O'zingizning robotingizga qaysi taxtani olib kelishga qaror qilgan bo'lsangiz, sizga 5V regulyator kerak. Oxirgi Raspberry Pi 4 uchun maksimal 1,25A kerak, lekin Jetson Nano 3A gacha stressni talab qiladi, shuning uchun men Pololu 5V 6A ni kelajakdagi komponentlar uchun quvvat zaxirasiga ega bo'lishini tanladim (datchiklar, chiroqlar, qadam) … ish. Jetson 5,5 mm DC barreli va Pi mikro USB -ni ishlatadi, mos keladigan kabelni ushlang va uni regulyator chiqishiga lehimlang.

LIDAR tartibi

Bu erda ishlatiladigan LIDAR LDS-01, RPLidar A1/A2/A3, YDLidar X4/G4 yoki hatto Hokuyo LIDARlar kabi ishlatilishi mumkin bo'lgan boshqa 2D LIDAR mavjud. Yagona talab shundaki, u USB orqali ulanishi va strukturaning tepasida joylashgan bo'lishi kerak. Haqiqatan ham, agar LIDAR yaxshi markazlashtirilmagan bo'lsa, SLAM algoritmi yordamida tuzilgan xarita devorlarning taxminiy o'rnini va to'siqlarni haqiqiy joyidan o'zgartirishi mumkin. Agar robotning to'siqlari lazer nuridan o'tib ketsa, u ko'rish va ko'rish maydonini kamaytiradi.

LIDAR o'rnatish

LIDAR 3D shaklidagi bosma qismga o'rnatiladi, uning shakli mos keladi, uning o'zi to'rtburchaklar plastinkada (aslida rasmdagi kontrplakda, lekin uni 3D bosish mumkin). Keyin adapter qismi ansamblni yuqori kaplumbağa plastinkasiga neylon ajratgichlar bilan o'rnatishga imkon beradi.

Kamera qo'shimcha sensor yoki LIDARni almashtirish sifatida

Agar siz LIDARga juda ko'p pul sarflashni xohlamasangiz (narxi taxminan 100 dollar), kameraga o'ting: SLAM algoritmlari ham mavjud, ular faqat monokulyar RGB kamera bilan ishlaydi. Ikkala SBC ham USB yoki CSI kamerasini qabul qiladi.

Kamera sizga kompyuterni ko'rish va ob'ektlarni aniqlash skriptlarini ishga tushirishga imkon beradi.

O'rnatish

Robotni yopishdan oldin, kabellarni yuqori plastinkadagi katta teshiklardan o'tkazing:

• 5V regulyatoridan sizning SBC ga mos keladigan kabel
• USB kabeli Arduino DUE dasturiy portidan (shahar barreliga eng yaqin) sizning SBC USB portingizga.

Keyin yuqori plastinkani o'nlab vintlar bilan ushlab turing. Sizning robotingiz endi dasturlash uchun tayyor, XO'YGA!

7 -qadam: harakatlaning

Arduino -ni kompilyatsiya qiling

O'zingiz yoqtirgan Arduino IDE -ni oching va own_turtlebot_core deb nomlangan loyiha papkasini import qiling, so'ngra taxtangizni va mos keladigan portni tanlang, siz ushbu ajoyib qo'llanmaga murojaat qilishingiz mumkin.

Asosiy sozlamalarni sozlang

Loyiha ikkita fayldan iborat bo'lib, ulardan birini robotingizga moslashtirish kerak. Keling, own_turtlebot_config.h -ni ochamiz va qaysi satrlar e'tiborimizni talab qilishini bilib olamiz:

#define ARDUINO_DUE // ** Agar to'lovdan foydalanmasangiz, bu satrga sharh bering **

Faqat Arduino DUE bilan ishlatish kerak, agar chiziqni izohlamasangiz.

#RATE_CONTROLLER_KP 130.0 ni aniqlang // ** Bu qiymatni sozlang **

#RATE_CONTROLLER_KD 5000000000000.0 ni aniqlang ** ** Bu qiymatni sozlang ** #RATE_CONTROLLER_KI 0.00005 ni belgilang // ** BU qiymatni sozlang **

Bu 3 parametr PID tomonidan kerakli tezlikni ushlab turish uchun ishlatiladigan tezlikni boshqaruvchi yutuqlariga mos keladi. Batareya kuchlanishiga, robotning massasiga, g'ildirak diametriga va dvigatelingizning mexanik uzatmalariga qarab, siz ularning qiymatlarini moslashtirishingiz kerak bo'ladi. PID - bu klassik nazoratchi va siz bu erda batafsil ma'lumotga ega bo'lmaysiz, lekin bu havola sizga o'z sozlamangizni sozlash uchun etarlicha ma'lumot berishi kerak.

/ * Pimlarni belgilang */

// vosita A (o'ngda) const baytli motorRightEncoderPinA = 38; // ** PIN -kod NB bilan O'zgartirish ** const bayt motorRightEncoderPinB = 34; // ** PIN -kod NB bilan O'zgartirish ** const bayt enMotorRight = 2; // ** PIN -kod NB bilan O'zgartirish ** const bayt in1MotorRight = 4; // ** PIN -kodingiz bilan modifikatsiya qilish ** const bayt in2MotorRight = 3; // ** PIN -kod NB bilan O'zgartirish ** // motor B (chapda) const baytli motorLeftEncoderPinA = 26; // ** PIN -kod NB bilan O'zgartirish ** const bayt motorLeftEncoderPinB = 30; // ** PIN -kod NB bilan O'zgartirish ** const bayt enMotorLeft = 7; // ** PIN -kod NB bilan O'zgartirish ** const bayt in1MotorLeft = 6; // ** PIN -kodingiz bilan modifikatsiya qilish ** const bayt in2MotorLeft = 5; // ** PIN -kod NB bilan O'zgartirish **

Bu blok L298N va Arduino o'rtasidagi pinoutni belgilaydi, faqat sizning raqamingizga mos keladigan pin raqamini o'zgartiring. Konfiguratsiya faylini tugatgandan so'ng, kodni kompilyatsiya qiling va yuklang!

ROS -ni o'rnating va sozlang

Ushbu bosqichga etib kelganingizdan so'ng, ko'rsatmalar TurtleBot3 -ning zo'r qo'llanmasida ko'rsatilganidek, siz qat'iy rioya qilishingiz kerak.

Yaxshi bajarilgan TurtleBot 3 endi sizniki va siz ROS bilan mavjud bo'lgan barcha paketlar va darsliklarni ishlatishingiz mumkin.

Yaxshi, lekin ROS nima?

ROS robotlar operatsion tizimi degan ma'noni anglatadi, bu dastlab juda murakkab bo'lib tuyulishi mumkin, lekin bunday emas, balki apparat (sensorlar va aktuatorlar) va dasturiy ta'minot (navigatsiya, boshqarish, kompyuter ko'rish algoritmlari) o'rtasidagi aloqa usulini tasavvur qiling. Masalan, siz joriy LIDAR -ni boshqa modelga osongina o'zgartirishingiz mumkin, chunki har bir LIDAR bir xil LaserScan xabarini chiqaradi. Robototexnologiyada ROS keng qo'llaniladi.

Birinchi namunangizni ishga tushiring

ROS uchun "salom dunyo" ekvivalenti sizning robotingizni masofaviy kompyuter orqali teleoperatordan iborat. Siz nima qilmoqchi bo'lsangiz, dvigatellarni aylantirish uchun tezlik buyruqlarini yuboring, buyruqlar ushbu quvurga amal qiladi:

• uzoq kompyuterda ishlaydigan turtlebot_teleop tuguni Twist xabarini o'z ichiga olgan "/cmd_vel" mavzusini e'lon qiladi.
• bu xabar ROS xabarlar tarmog'i orqali SBCga yuboriladi
• ketma -ket tugun "/cmd_vel" ni Arduino -da qabul qilish imkonini beradi
• Arduino xabarni o'qiydi va robotning kerakli chiziqli va burchak tezligiga mos keladigan har bir dvigateldagi burchak tezligini o'rnatadi.

Bu operatsiya oddiy va yuqorida sanab o'tilgan buyruq satrlarini ishga tushirish orqali erishish mumkin! Agar siz batafsilroq ma'lumotga ega bo'lishni istasangiz, videoni tomosha qiling.

[SBC]

rozkor

[SBC]

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

[Masofaviy kompyuter]

eksport qilish TURTLEBOT3_MODEL = $ {TB3_MODEL}

roslaunch turtlebot3_teleop turtlebot3_teleop_key.launch

Yana borish uchun

Qo'llanmada har safar ushbu buyruq bilan duch kelganingizda, barcha rasmiy misollarni sinab ko'rishdan oldin siz oxirgi narsani bilishingiz kerak:

roslaunch turtlebot3_bringup turtlebot3_robot.launch

Buning o'rniga SBC -da ushbu buyruqni bajarishingiz kerak:

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

Va agar sizda LIDAR SBC -da tegishli buyruqni bajarsa, men LDS01 ni quyidagi satr bilan ishlataman:

roslaunch hls_lfcd_lds_driver hlds_laser.launch

Hammasi shuki, siz o'z toshbaqangizni qurdingiz:) Siz ROSning ajoyib imkoniyatlarini kashf etishga, ko'rish va mashinani o'rganish algoritmlarini kodlashga tayyormiz.