Öz Turtlebot Robotunuzu yaradın!: 7 addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:45

EDIT:

Proqram təminatı və idarəetmə ilə bağlı əlavə məlumatlar bu linkdə mövcuddur:

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

Kodun birbaşa bağlantısı:

github.com/MattMgn/foxbot_core

Niyə bu layihə?

Turtlebot 3, elektronikaya, robot texnikasına və hətta AI -yə dərindən daxil olmaq üçün mükəmməl bir platformadır! Öz xüsusiyyətlərinizdən və performansınızdan ödün vermədən əlverişli komponentlərlə addım-addım öz tısbağası qurmağı təklif edirəm. Bir şeyi nəzərə alaraq: ilkin robotdan ən yaxşısını, modulluğunu, sadəliyini və açıq mənbəli cəmiyyətdən muxtar naviqasiya və AI üçün çoxlu paketləri saxlamaq.

Bu layihə yeni başlayanlar üçün elektronika, mexanika və kompüter elmləri anlayışlarını əldə etmək və daha təcrübəli olanlar üçün süni intellekt alqoritmlərini sınamaq və inkişaf etdirmək üçün güclü bir platforma əldə etmək üçün bir fürsətdir.

Bu layihədə nələri kəşf edəcəksiniz?

Tam uyğunluğu təmin etmək üçün hansı əsas mexaniki və elektron hissələrin orijinal botda saxlanılması lazım olduğunu kəşf etmək üzrəsiniz.

Bütün quruluş prosesi detallı olacaq: 3D hissələrin çapından, yığılmasından və bir neçə komponentdən, elektroniklərin lehimlənməsindən və inteqrasiyasından nəhayət Arduinoda kod yığmağa qədər. Bu təlimat, sizi ROS ilə tanış etmək üçün 'salam dünya' nümunəsinə yekun vuracaq. Bir şey aydın deyilsə, sual verməkdən çekinmeyin!

Təchizat

Elektronika:

ROSu işlətmək üçün 1 x Tək Kompüter, məsələn, Raspberry Pi və ya Jetson Nano ola bilər

1 x Arduino DUE, bir UNO və ya MEGA istifadə edə bilərsiniz

Burada mövcud olan Arduino DUE pin-çıxışına uyğun olan 1 x Proto-board

Enkoderləri olan 2 x 12V DC mühərrikləri (100 RPM seçimi)

1 x L298N motor sürücüsü

2 x 5V tənzimləyici

1 x Batareya (məsələn, 3S/4S LiPo batareya)

2 x ON/OFF açarları

2 x LED

2 x 470kOhm Rezistorlar

3 x 4 sancaqlı JST konnektoru

1 x USB kabeli (SBC ilə Arduino arasında ən azı bir)

Sensorlar:

1 x Cərəyan sensoru (isteğe bağlı)

1 x 9 Azadlıq Dərəcəsi IMU (isteğe bağlı)

1 x LIDAR (isteğe bağlı)

Şassi:

16 x Turtlebot modul plitələr (3D çap da edilə bilər)

2 x 65mm diametrli təkərlər (eni 6 mm)

4 x 30 mm neylon boşluqlar (isteğe bağlı)

20 x M3 əlavə (isteğe bağlı)

Digərləri:

Tellər

M2.5 və M3 vintlər və əlavələr

3D printer və ya hissələri sizin üçün çap edə biləcək biri

Bir dəsti olan bir matkap, buna bənzər bir matkap

Addım 1: Təsvir

Bu robot, birbaşa mühərrikinə quraşdırılmış 2 təkərdən və robotun yıxılmasının qarşısını almaq üçün arxa tərəfə yerləşdirilmiş təkərdən istifadə edən sadə bir diferensial sürücüdür. Robot iki təbəqəyə bölünür:

Alt qat: hərəkət qrupu (batareya, motor idarəedicisi və mühərrikləri) və 'aşağı səviyyəli' elektronika ilə: Arduino mikro nəzarətçisi, gərginlik tənzimləyicisi, açarları …

Yuxarı Layer: 'yüksək səviyyəli' elektron, yəni Tək Kartlı Kompüter və LIDAR ilə

Bu təbəqələr, strukturun möhkəmliyini təmin etmək üçün çap edilmiş hissələr və vintlər ilə bağlanır.

Elektron sxematik

Şematik bir az qarışıq görünə bilər. Şematik bir rəsmdir və bütün telləri, bağlayıcıları və proto lövhəni əks etdirmir, lakin aşağıdakı kimi oxunur:

3000 mAh tutumlu 3S Litihum İon Polimer akkumulyatoru ilk dövrə, həm motor nəzarət lövhəsinə (L298N), həm də motor kodlayıcıları və Arduino üçün ilk 5V tənzimləyiciyə güc verir. Bu dövrə, ON/OFF vəziyyətini göstərən bir LED olan bir açar vasitəsilə işə salınır.

Eyni batareya ikinci dövrə güc verir, giriş gərginliyi Tək Lövhəli Kompüteri gücləndirmək üçün 5V -ə çevrilir. Burada da dövrə bir açar və bir LED vasitəsilə aktivdir.

LIDAR və ya kamera kimi əlavə sensorlar daha sonra USB və ya CSI portu vasitəsilə birbaşa Raspberry Pi üzərinə əlavə edilə bilər.

Mexanik dizayn

Robot çərçivəsi, 2 kvadrat təbəqədən (eni 28 sm) ibarət 16 eyni hissədən ibarətdir. Çox sayda çuxur, ehtiyac duyduğunuz yerə əlavə hissələr quraşdırmağa və tam modul dizaynı təqdim etməyə imkan verir. Bu layihə üçün orijinal TurtleBot3 lövhələrini almağa qərar verdim, ancaq dizaynı açıq mənbə olduğu üçün bunları 3D çap edə bilərsiniz.

Addım 2: Motor Bloku Montajı

Motor hazırlığı

İlk addım, motorun fırlanacağı zaman titrəmələrin və səs -küyün qarşısını almaq üçün hər bir motorun ətrafına 1 mm qalınlığında köpük bant əlavə etməkdir.

Çap olunmuş hissələr

Mühərrik tutucusu iki hissədən ibarətdir ki, bu da mühərriki vitse kimi tutur. Mühərriki tutacaqda sıxmaq üçün 4 vida əldə edildi.

Hər bir tutucu, quruluşa quraşdırılacaq M3 əlavələri olan bir neçə delikdən ibarətdir. Gerçəkdən daha çox çuxur var, əlavə deliklər nəticədə əlavə hissəni montaj etmək üçün istifadə edilə bilər.

3D printer parametrləri: bütün hissələr aşağıdakı parametrlərlə çap olunur

• 0,4 mm diametrli burun
• 15% material doldurma
• Hündürlüyü 0,2 mm olan təbəqə

Təkər

Seçilən təkərlər, yapışmanı artırmaq və sürüşmədən yuvarlanma vəziyyətini təmin etmək üçün rezinlə örtülmüşdür. Bir sıxma vidası, motor milinə quraşdırılmış təkəri saxlayır. Təkərin diametri kiçik pilləli və yerdəki düzensizliyi keçə biləcək qədər böyük olmalıdır (bu təkərlər 65 mm diametrlidir).

Fiksasiya

Bir motor bloku ilə bitirdikdən sonra əvvəlki əməliyyatları təkrarlayın və sonra sadəcə M3 vintləri ilə təbəqəyə yapışdırın.

Addım 3: Anahtarlar və Kabel Hazırlığı

Motor kabelinin hazırlanması

Ümumiyyətlə, motor kodlayıcı, bir tərəfində kodlayıcı PCB-nin arxasını birləşdirən 6pin konnektoru və digər tərəfində çılpaq tellər daxil olmaqla bir kabel ilə gəlir.

Onları proto taxtanıza və ya hətta Arduino-ya birbaşa lehimləmək imkanınız var, amma bunun əvəzinə qadın pin başlıqları və JST-XH konnektorlarından istifadə etməyi məsləhət görürəm. Beləliklə, onları proto lövhənizə bağlaya/ayıra və montajınızı asanlaşdıra bilərsiniz.

İpuçları: tellərinizin ətrafına genişləndirilə bilən tutacaq örgüsünü və bağlayıcıların yanındakı büzülmə borusunun hissələrini əlavə edə bilərsiniz, beləliklə 'təmiz' bir kabel əldə edəcəksiniz.

Açar və LED

İki güc sxemini işə salmaq üçün 2 LED hazırlayın və kabelləri dəyişdirin: əvvəlcə LED pinindən birində 470kOhm müqavimət lehimləyin, sonra LED -i bir açar pinində lehimləyin. Burada da rezistoru gizlətmək üçün bir parça büzülmə borusundan istifadə edə bilərsiniz. LED -in düzgün istiqamətdə lehimlənməsi üçün diqqətli olun! İki açar/led kabel əldə etmək üçün bu əməliyyatı təkrarlayın.

Məclis

Əvvəllər hazırlanmış kabelləri müvafiq olaraq 3D çaplı hissəyə yığın. Anahtarı qorumaq üçün bir qoz istifadə edin, LED -lərdən yapışqan tələb olunmur, onu çuxura yerləşdirmək üçün kifayət qədər güc tətbiq edin.

Addım 4: Elektron lövhələrin naqilləri

Lövhələrin düzülüşü

Tellərin sayını azaltmaq üçün Arduino lövhəsinə uyğun bir proto taxtadan istifadə olunur. Proto lövhənin üstündə L298N, Dupont qadın başlığı ilə yığılmışdır (Dupont 'Arduino kimi' başlıqlardır).

L298N hazırlığı

Başlanğıcda, L298N lövhəsi müvafiq kişi Dupont başlığı ilə gəlmir, lövhənin altına 9 pinli bir sıra əlavə etməlisiniz. Şəkildə gördüyünüz kimi, mövcud deliklərə paralel olaraq 1 mm diametrli qazma ucu olan 9 delik həyata keçirməlisiniz. Sonra 2 satırın müvafiq sancaqlarını lehim materialları və qısa tellərlə bağlayın.

L298N pin çıxışı

L298N, sürət və istiqaməti idarə etməyə imkan verən 2 kanaldan ibarətdir:

birinci kanal üçün IN1, IN2, ikinci kanal üçün isə IN3 və IN4 adlanan 2 rəqəmsal çıxış vasitəsilə istiqamət

birinci kanal üçün ENA, ikinci kanal üçün isə ENB adlanan 1 rəqəmsal çıxışı sürətləndirir

Arduino ilə aşağıdakı çıxışı seçdim:

sol motor: pin 3 -də IN1, pin 4 -də IN2, pin 2 -də ENA

sağ motor: pin 5 -də IN3, pin 6 -da IN4, pin 7 -də ENB

5V tənzimləyicisi

L298N normal olaraq 5V təmin edə bilsə belə, yenə də kiçik bir tənzimləyici əlavə edirəm. Arduino -ya VIN portu və mühərriklərdəki 2 kodlayıcı vasitəsilə güc verir. Daxili L298N 5V tənzimləyicisini istifadə edərək bu addımı atlaya bilərsiniz.

JST bağlayıcıları və Encoder pin çıxışı

4 sancaqlı qadın JST-XH bağlayıcı adapterlərindən istifadə edin, hər bağlayıcı daha sonra bağlıdır:

• Tənzimləyicidən 5V
• bir Zəmin
• iki rəqəmsal giriş portu (məsələn: sağ kodlayıcı üçün 34 və 38 və sol üçün 26 və 30)

Əlavə I2C

Gördüyünüz kimi, proto lövhədə əlavə 4pin JST konnektoru var. I2C cihazını IMU kimi bağlamaq üçün istifadə olunur, eyni şeyi edə bilərsiniz və hətta öz portunuzu da əlavə edə bilərsiniz.

Addım 5: Alt Qat üzərində Motor Qrupu və Arduino

Motor bloklarının fiksasiyası

Alt təbəqə 8 Turtlebot lövhəsi ilə yığıldıqdan sonra, motor bloklarını saxlamaq üçün birbaşa əlavə olunan hissələrdə 4 M3 vint istifadə edin. Daha sonra, motor güc tellərini L298N çıxışlarına və əvvəllər hazırlanmış kabelləri protokol lövhəsi JST bağlayıcılarına bağlaya bilərsiniz.

Güc paylanması

Güc paylanması sadəcə bir maneə terminal bloku ilə həyata keçirilir. Bariyerin bir tərəfində LiPo batareyasına qoşulmaq üçün XT60 dişi fişli bir kabel vidalanmışdır. Digər tərəfdən, əvvəllər lehimlənmiş iki LED/keçid kabelimiz vidalanmışdır. Beləliklə, hər bir dövrə (Motor və Arduino) öz açarı və müvafiq yaşıl LED ilə aktivləşdirilə bilər.

Kabel idarəetmə

Tez bir çox kabel ilə məşğul olmalı olacaqsınız! Çirkli tərəfi azaltmaq üçün əvvəllər 3D çap edilmiş 'masa' istifadə edə bilərsiniz. Masanın üstündə elektron lövhələrinizi iki tərəfli lentlə saxlayın və masanın altında tellərin sərbəst axmasına icazə verin.

Batareyaya qulluq

Robotunuzu idarə edərkən batareyanın boşa çıxmaması üçün sadəcə elastik bir saç bandı istifadə edə bilərsiniz.

Roller teker

Əslində bir roller deyil, alt təbəqədə 4 vida ilə sabitlənmiş sadə bir yarım kürə. Robotun sabitliyini təmin etmək kifayətdir.

Addım 6: Tək lövhəli kompüter və yuxarı qatdakı sensorlar

Hansı tək lövhəli kompüter seçmək lazımdır?

Məşhur Raspberry Pi -ni sizə təqdim etməyimə ehtiyac yoxdur, istifadə hallarının sayı robototexnika sahəsini xeyli üstələyir. Ancaq Raspberry Pi üçün göz ardı edə biləcəyiniz daha güclü bir rəqib var. Həqiqətən də Nvidia-dan olan Jetson Nano, prosessoruna əlavə olaraq güclü 128 nüvəli qrafik kartı da özündə birləşdirir. Bu xüsusi qrafik kart, görüntü işləmə və ya neyron şəbəkə çıxarması kimi hesablama baxımından bahalı vəzifələri sürətləndirmək üçün hazırlanmışdır.

Bu layihə üçün Jetson Nano'yu seçdim və ona əlavə edilmiş fayllar arasında müvafiq 3D hissəsini tapa bilərsiniz, ancaq Raspberry Pi ilə getmək istəyirsinizsə, burada bir çox çap halları var.

5V tənzimləyicisi

Robotunuzu gətirmək qərarına gəldiyiniz hər hansı bir lövhə, 5V tənzimləyiciyə ehtiyacınız var. Ən son Raspberry Pi 4 maksimum 1.25A tələb edir, lakin Jetson Nano 3A -a qədər gərginlik tələb edir, buna görə də gələcək komponentlər (sensorlar, işıqlar, addımlar …) üçün güc ehtiyatına malik olmaq üçün Pololu 5V 6A -nı seçdim, amma hər hansı bir ucuz 5V 2A bunu etməlidir. iş. Jetson, 5.5 mm DC lülə və Pi bir mikro USB istifadə edərək, müvafiq kabeli götürün və tənzimləyicinin çıxışına lehimləyin.

LIDAR düzeni

Burada istifadə edilən LIDAR LDS-01-dir, RPLidar A1/A2/A3, YDLidar X4/G4 və ya hətta Hokuyo LIDARs kimi istifadə oluna bilən müxtəlif 2D LIDARlar var. Yeganə tələb, USB vasitəsilə bağlanması və quruluşun üstündə ortada yerləşdirilməsidir. Həqiqətən də, LIDAR yaxşı mərkəzləşdirilməyibsə, SLAM alqoritmi tərəfindən yaradılan xəritə divarların və maneələrin təxmin edilən mövqeyini real mövqelərindən dəyişə bilər. Həmçinin robotun hər hansı bir maneəsi lazer şüasını keçərsə, bu, görmə məsafəsini və sahəsini azaldacaq.

LIDAR montajı

LIDAR, şəklini izləyən 3D çaplı bir hissəyə quraşdırılmışdır, hissənin özü düzbucaqlı bir lövhədədir (əslində şəkildəki kontrplakda, ancaq 3D çap edilə bilər). Sonra bir adapter hissəsi, ansamblın neylon aralıqlarla yuxarı tısbağa lövhəsinə bərkidilməsinə imkan verir.

Əlavə sensor və ya LIDAR dəyişdirmə olaraq kamera

LIDAR -a (100 dollara yaxın) çox pul xərcləmək istəmirsinizsə, bir kameraya baxın: yalnız monokulyar RGB kamera ilə işləyən SLAM alqoritmləri də mövcuddur. Hər iki SBC USB və ya CSI kameranı qəbul edir.

Üstəlik kamera kompüter görmə və obyekt aşkarlama skriptlərini işə salmağa imkan verəcək!

Məclis

Robotu bağlamadan əvvəl, kabelləri yuxarı boşqabdakı daha böyük deliklərdən keçirin:

• 5V tənzimləyicidən SBC -yə uyğun kabel
• Arduino DUE Proqramlaşdırma Portundan (DC barelinə ən yaxın olan) USB kabelini SBC -nin USB portuna

Sonra üst vərəqi bir çox vida ilə tutun. Robotunuz artıq proqramlaşdırılmağa hazırdır, YAXŞI!

Addım 7: Hərəkət edin

Arduino yığın

Sevdiyiniz Arduino IDE -ni açın və own_turtlebot_core adlı layihə qovluğunu idxal edin, sonra lövhənizi və müvafiq portu seçin, bu əla dərsliyə müraciət edə bilərsiniz.

Əsas parametrləri tənzimləyin

Layihə iki fayldan ibarətdir və birini robotunuza uyğunlaşdırmaq lazımdır. Beləliklə, own_turtlebot_config.h açaq və hansı xətlərin diqqətimizi tələb etdiyini kəşf edək:

#define ARDUINO_DUE // ** SİZDƏN İSTİFADƏ ETMƏYİRSƏN BU XƏTƏFƏ ŞƏRH EDİN **

Satırı şərh etməsə, yalnız Arduino DUE ilə istifadə olunmalıdır.

#RATE_CONTROLLER_KP 130.0 // ** BU DƏYƏRİ TUNE **

#DEFRAT RATE_CONTROLLER_KD 5000000000000.0 // ** BU DƏYƏRİ TUNE ** #RATE_CONTROLLER_KI 0.00005 // ** BU DƏYƏRİ TUNE **

Bu 3 parametr, PID -in istədiyi sürəti saxlamaq üçün istifadə etdiyi nisbət tənzimləyicisi qazanclarına uyğundur. Batareyanın gərginliyindən, robotun kütləsindən, təkər diametrindən və motorunuzun mexaniki ötürücüsündən asılı olaraq dəyərlərini uyğunlaşdırmalısınız. PID klassik bir nəzarətçidir və burada ətraflı məlumat verməyəcəksiniz, ancaq bu keçid sizə özünüzü tənzimləmək üçün kifayət qədər giriş verməlidir.

/ * Pinləri təyin edin */

// motor A (sağda) const bayt motorRightEncoderPinA = 38; // ** PIN NBİNİZDƏ DƏYİŞTİRMƏ ** const bayt motorRightEncoderPinB = 34; // ** PIN NBİNİZDƏ DƏYİŞTİRMƏ ** const bayt enMotorRight = 2; // ** PIN NBİNİZDƏ DƏYİŞTİRMƏ ** const byte in1MotorRight = 4; // ** PIN NBİNİZDƏ DƏYİŞTİRİN ** const byte in2MotorRight = 3; // ** PIN NBİNİZDƏ DƏYİŞTİRMƏ ** // motor B (solda) const byte motorLeftEncoderPinA = 26; // ** PIN NBİNİZDƏ DƏYİŞTİRMƏ ** const bayt motorLeftEncoderPinB = 30; // ** PIN NBİNİZDƏ DƏYİŞTİRMƏ ** const bayt enMotorLeft = 7; // ** PIN NBİNİZDƏ DƏYİŞTİRMƏ ** const1 byte in1MotorLeft = 6; // ** PIN NBİNİZDƏ DƏYİŞTİRİN ** const byte in2MotorLeft = 5; // ** PIN NBİNİZDƏ DƏYİŞTİRİN **

Bu blok, L298N və Arduino arasındakı pinoutu təyin edir, sadəcə pin nömrəsini özünüzə uyğun olaraq dəyişdirin. Konfiqurasiya faylını bitirdikdən sonra kodu tərtib edin və yükləyin!

ROS qurun və konfiqurasiya edin

Bu addıma çatdıqdan sonra təlimatlar mükəmməl TurtleBot3 təlimatında göstərilənlərlə eynidır, diqqətlə izləməlisiniz.

Yaxşı işlər TurtleBot 3 artıq sizə aiddir və bütün mövcud paketləri və dərsləri ROS ilə işlədə bilərsiniz.

Tamam amma ROS nədir?

ROS, Robotlar Əməliyyat Sisteminin simvoludur, ilk baxışda olduqca mürəkkəb görünə bilər, ancaq bu, hardware (sensorlar və aktuatorlar) ilə proqram təminatı (naviqasiya, idarəetmə, kompüter görmə alqoritmləri …) arasında bir ünsiyyət yolu təsəvvür edin. Məsələn, hər bir LIDAR eyni LaserScan mesajını yayımladığı üçün quruluşunuzu pozmadan mövcud LIDAR -ı başqa bir model ilə asanlıqla dəyişə bilərsiniz. ROS robototexnika sahəsində geniş istifadə olunur.

İlk nümunənizi işə salın

ROS üçün 'salam dünya' ekvivalenti uzaq kompüter vasitəsilə robotunuzu teleoperasiya etməkdən ibarətdir. Nə etmək istəsəniz, mühərrikləri döndərmək üçün sürət əmrləri göndərməkdir, əmrlər bu boruya uyğundur:

• uzaq kompüterdə çalışan bir turtlebot_teleop node, Twist mesajı daxil olmaqla "/cmd_vel" mövzusunu dərc edin
• bu mesaj ROS mesajları şəbəkəsi vasitəsi ilə SBC -yə göndərilir
• seriyalı bir node, "/cmd_vel" in Arduino üzərində alınmasına imkan verir
• Arduino mesajı oxuyur və robotun istənilən xətti və açısal sürətinə uyğun olaraq hər bir motorun açısal sürətini təyin edir.

Bu əməliyyat sadədir və yuxarıda sadalanan əmr satırlarını işlədərək əldə edilə bilər! Daha ətraflı məlumat almaq istəyirsinizsə, sadəcə videoya baxın.

[SBC]

roscore

[SBC]

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

[Uzaq kompüter]

ixrac TURTLEBOT3_MODEL = $ {TB3_MODEL}

roslaunch turtlebot3_teleop turtlebot3_teleop_key.launch

Daha irəli getmək üçün

Bütün rəsmi nümunələri sınamadan əvvəl, bu əmrlə hər dəfə qarşılaşdığınızda təlimatda son bir şeyi bilməlisiniz:

roslaunch turtlebot3_bringup turtlebot3_robot.launch

Bunun yerinə SBC -də bu əmri işə salmalısınız:

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

Bir LIDAR varsa, SBC -də əlaqəli əmri işlədin, mənim vəziyyətimdə aşağıdakı xətti olan bir LDS01 çalıştırıram:

roslaunch hls_lfcd_lds_driver hlds_laser.launch

Bütün bunlar budur ki, öz tısbağasını qəti şəkildə qurmusunuz:) ROSun fantastik imkanlarını kəşf etməyə, görmə və maşın öyrənmə alqoritmlərini kodlaşdırmağa hazırsınız.