Robot auto-équilibré : 6 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Dans ce Instructable, nous allons vous montrer comment construire le robot d'auto-équilibrage que nous avons fait en tant que projet scolaire. Il est basé sur d'autres robots, tels que le nBot et un autre Instructable. Le robot peut être contrôlé depuis un smartphone Android via une connexion Bluetooth. Comme ce Instructable ne couvre que le processus de construction, nous avons également écrit un document pour couvrir l'arrière-plan technique du code et de l'électronique. Il contient également des liens vers les sources qui ont été utilisées, vous pouvez donc les consulter si le document n'est pas assez complet pour vous.

Pour suivre toutes les étapes de ce projet, vous aurez besoin de compétences en impression 3D ou d'un autre moyen astucieux de fixer les roues aux moteurs.

Étape 1: Exigences

Le robot est basé sur une carte contrôleur de cardan sans balais Martinez. Il existe quelques légères variantes de cette carte, mais tant que vous en avez une avec une puce ATmega328 et des contrôleurs de moteur L6234, tout devrait bien se passer. Si vous recherchez "Carte Martinez" sur Google Images, vous verrez qu'il existe des cartes avec un connecteur facile pour la puce IMU et/ou la batterie, au lieu d'en-têtes de broches ou de trous. Dans le dernier cas, il vous sera utile de commander un pack de broches d'en-tête, que vous pourrez ensuite souder dans les trous.

Liste des pièces

Certains des éléments de cette liste contiennent des liens vers des boutiques en ligne.

• Contrôleur: Martinez BoardDX.com (livré également avec l'IMU et quelques broches d'en-tête).
• IMU: MPU6050
• Batterie (batterie LiPo 3S 450 mAh) Remarque: vous aurez également besoin d'un chargeur LiPo 3S eBay.com
• 2x Moteur: Moteur sans balais 2208, KV100DX.com
• Roues (vous pouvez les obtenir à partir de jouets existants ou de LEGO)
• 6x vis M2 5 mm
• 8x vis M3 (la longueur dépend du matériau de votre extérieur, une doit être extra longue)
• Puce Bluetooth HC-05 (assurez-vous d'en avoir une avec une carte d'interface série attachée, pas seulement une puce nue)IMPORTANT: assurez-vous que la puce a une broche étiquetée KEY.
• Fils: Femelle à femelle DuPontAcheter un pack de 20 fils sera largement suffisant
• Bande Velcro
• Câble USB pour connecter le contrôleur au PC
• Facultatif: Header pinsDX.com (vous pouvez les couper ou les casser à la longueur souhaitée)
• Rondelles et entretoises en plastique

Enfin, vous avez besoin d'acrylique, de bois ou de carton accompagné de colle ou de ruban adhésif pour créer une structure qui retient tous les composants.

Étape 2: configuration de la puce Bluetooth

Une fois que vous avez mis la main sur toutes les pièces, il est temps de configurer la puce Bluetooth. Vous aurez besoin d'un câble USB pour connecter la carte contrôleur à votre ordinateur ainsi que l'IDE Arduino pour communiquer avec les composants.

Pour cela, vous devrez télécharger le fichier:

HC-05_Serial_Interface.ino

Suivez ensuite ces étapes:

1. Connectez le contrôleur à votre ordinateur avec un câble USB.
2. Ouvrez le fichier.ino avec l'IDE Arduino.
3. Dans l'IDE, accédez à Outils, Carte et assurez-vous qu'il est défini sur Arduino/Genuino Uno.
4. Allez maintenant dans Outils, Port et réglez-le sur le port COM auquel le contrôleur est connecté. Habituellement, il n'y a qu'un seul port. S'il y en a plusieurs, consultez le Gestionnaire de périphériques (sous Windows) pour savoir lequel est le contrôleur.
5. Maintenant, appuyez sur le bouton Télécharger dans l'IDE et attendez la fin du téléchargement. Ensuite, débranchez le câble USB de l'ordinateur ou du contrôleur.

Après avoir fait cela, connectez le HC-05 à l'aide des câbles DuPont comme suit:

Contrôleur HC-05

CLÉ +5V GND GND TXD RX RXD TX

Rebranchez maintenant le câble USB, puis connectez la broche VCC du HC-05 à un autre +5V sur le contrôleur. La LED doit clignoter avec un intervalle d'environ 1 seconde.

Dans l'IDE Arduino, sélectionnez le bon port COM, puis accédez à Outils, Moniteur série.

Définissez l'option Fin de ligne dans Serial Monitor sur Both NL & CR. Réglez le débit en bauds sur 38 400. Vous pouvez maintenant utiliser le moniteur série pour envoyer des commandes de configuration à la puce Bluetooth. Ce sont les commandes:

AT Vérifier la connexion

AT+NAME Obtenir/définir le nom d'affichage Bluetooth AT+UART Obtenir/définir le débit en bauds AT+ORGL Réinitialiser les paramètres d'usine AT+PSWD Obtenir/définir le mot de passe Bluetooth

Pour modifier le nom, le mot de passe et le débit en bauds de l'appareil Bluetooth, envoyez les commandes suivantes:

AT+NAME="Exemple de nom"

AT+PSWD="Mot de passe123" AT+UART="230400, 1, 0"

Les options Nom et Mot de passe peuvent être définies comme vous le souhaitez, assurez-vous simplement de définir le débit en bauds en utilisant exactement la même commande que celle répertoriée ci-dessus. Cela le définit à 230400 bauds, avec 1 bit d'arrêt et aucune parité. Après avoir tout configuré, reconnectez le câble USB (pour quitter le mode de configuration) et essayez de coupler votre téléphone à la puce. Si tout fonctionne, débranchez le câble USB et passez à l'étape suivante.

Étape 3: Fixation des roues aux moteurs

Les roues qui ont été utilisées dans ce projet ont une origine inconnue (elles traînaient dans un tiroir avec plein d'autres trucs). Afin de fixer les roues aux moteurs, nous avons imprimé en 3D une pièce qui correspondait aux trous de vis sur les moteurs. Les pièces ont été vissées à l'aide de trois vis 2M de 5 millimètres par moteur. Les deux pièces ont une goupille qui s'adapte aux trous dans les axes des roues.

Le modèle SolidWorks est inclus. Vous devrez probablement le modifier pour vos roues, ou trouver une solution pratique différente pour adapter les roues. Par exemple, vous pouvez utiliser un Dremel pour creuser un trou de la même taille que le moteur (ou un tout petit peu plus petit pour lui donner un ajustement parfait), puis vous pouvez enfoncer le moteur dans la roue. Assurez-vous simplement d'obtenir des roues appropriées pour ce travail si vous prévoyez de le faire.

Étape 4: Création de l'extérieur

Pour l'extérieur, deux morceaux de bois ont été utilisés et coupés à la même forme. Pour commencer, nous avons marqué la circonférence du moteur en bas au centre de la pièce. Nous avons ensuite marqué chaque coin d'une ligne à 45 degrés, en veillant à laisser suffisamment de place pour que le moteur puisse s'asseoir en bas au centre. Nous avons ensuite serré les deux morceaux de bois ensemble et scié les coins. Pour finir, nous avons poncé les coins pour les rendre moins coupants et enlever les éclats.

Il est maintenant temps de percer des trous pour les vis et l'axe qui dépasse de l'arrière du moteur. Si vous serrez les morceaux de bois ensemble lors du perçage, vous ne devez percer chaque trou qu'une seule fois.

Pour créer la disposition des trous de vis, nous avons utilisé un morceau de papier et l'avons placé à l'arrière du moteur et avons utilisé un crayon pour appuyer dans les trous de vis, à travers le papier. Le morceau de papier avec les quatre trous de vis a ensuite été placé sur le bois afin que nous puissions marquer l'emplacement des trous à percer. Pour percer les trous, utilisez une perceuse de 3, 5 mm. Maintenant, utilisez un crayon et une règle pour trouver le centre de ces trous et créez le trou pour l'axe à l'aide d'une perceuse de 5 mm. Fixez les moteurs avec des vis M3, mais laissez l'une des vis les plus espacées d'un moteur.

Pour faire entrer le connecteur et le fil du moteur à l'intérieur du robot, nous avons également percé un trou de 8 mm un peu au-dessus du moteur. Assurez-vous qu'il y a suffisamment de place pour que les fils se plient sans trop les stresser.

Il est important de travailler aussi précisément que possible pour créer un extérieur symétrique (presque) parfait

Étape 5: Montage des composants

Marquez une ligne directrice centrale verticale sur le bois afin de pouvoir placer les composants au centre. Vous pouvez tout attacher au bois à l'aide de ruban velcro. Dans notre robot, nous avons utilisé de petits boulons et écrous pour fixer la carte contrôleur, mais vous pouvez également utiliser du ruban velcro (nous ne l'avions pas encore au moment où nous avons fixé le contrôleur). Assurez-vous que vous pouvez brancher un câble USB après avoir terminé la construction.

Nous avons placé le contrôleur au centre avec le port USB vers le bas, afin de pouvoir brancher le câble entre les roues. Vous pouvez également le pointer vers l'un des côtés.

Placez la batterie aussi haut que possible pour que le robot devienne trop lourd. Placez également le port de charge dans un endroit facile d'accès près du bord.

Puce Bluetooth

Connectez la broche VCC de la puce Bluetooth à +5V sur le contrôleur et le GND Bluetooth au GND du contrôleur. La broche TXD du contrôleur va au Bluetooth RX et la broche RXD du contrôleur va à la broche Bluetooth TX. Ensuite, collez simplement la puce Bluetooth quelque part sur le panneau de bois à l'aide de ruban velcro.

Puce de mouvement

La puce de mouvement a deux trous de vis, nous avons donc fixé la puce à l'aide d'une entretoise, de manière à ce que le centre de la puce tombe sur le centre du moteur. L'orientation n'a pas d'importance, car le robot se calibre au démarrage. Assurez-vous d'utiliser une rondelle en plastique sous la tête de vis pour éviter de court-circuiter le circuit.

Utilisez ensuite des fils DuPont pour connecter les broches au contrôleur. Chaque broche est étiquetée de la même manière sur le contrôleur que sur la puce de mouvement, sa connexion est donc assez explicite.

Interrupteur

La connexion d'un interrupteur d'alimentation est facile. Nous en avons pris un d'un vieil appareil et l'avons dessoudé de son circuit imprimé. Pour l'utiliser comme interrupteur d'alimentation pour le robot, vous connectez le fil positif de la batterie à la broche (en supposant qu'il s'agit d'un interrupteur à trois broches) du côté où vous souhaitez mettre l'interrupteur en position marche. Ensuite, connectez la broche centrale à l'entrée d'alimentation positive du contrôleur. Nous avons soudé les fils DuPont au commutateur, de sorte que la batterie elle-même ne soit pas fixée en permanence au commutateur.

Relier les côtés

Vous connaissez maintenant l'emplacement des composants et vous avez les deux côtés du robot. La dernière étape de la construction du robot consistera à connecter les deux côtés l'un à l'autre. nous avons utilisé quatre ensembles de trois morceaux de bois collés ensemble et les avons vissés sur les côtés de sorte que notre puce de mouvement se trouve sur l'axe médian du robot. Il faut dire que le matériau utilisé, pourvu qu'il soit suffisamment solide, n'a pas trop d'importance. Vous pouvez même utiliser une connexion plus lourde sur le dessus pour augmenter encore plus la hauteur du centre de masse. Mais contrairement à la position verticale du centre de masse, la position horizontale du centre de masse doit être maintenue autant que possible, au-dessus de l'axe de la roue, car le codage du code de la puce de mouvement deviendrait assez difficile si le centre horizontal de masse déplacée.

Vous êtes maintenant prêt à télécharger le code et à régler le contrôleur.

Étape 6: Téléchargement et réglage du code

Pour télécharger le code, vous avez besoin d'un ordinateur avec l'IDE Arduino. Téléchargez le fichier.ino ci-dessous et ouvrez-le avec l'IDE Arduino. Le télécharger sur le contrôleur se fait de la même manière que vous l'avez fait avec le code de la configuration Bluetooth.

Pour faire fonctionner le robot, vous devez télécharger l'application « Joystick bluetooth Commander » sur le Play Store. Allumez le robot et placez-le sur le sol, à l'avant ou à l'arrière. Lancez l'application et connectez-vous à la puce Bluetooth. Le champ de données 1 passera de XXX à READY une fois que le robot se sera calibré (5 secondes pour le placer sur le côté, suivi de 10 secondes de calibrage). Vous pouvez allumer le robot en appuyant sur le bouton 1 dans l'application. Placez maintenant le robot verticalement sur le sol et lâchez-le une fois que vous sentez les moteurs s'allumer. C'est à ce moment que le robot commence à s'équilibrer.

Le robot est maintenant prêt à être réglé, car sa stabilité n'est probablement pas excellente. Vous pouvez essayer si cela fonctionne sans réglage supplémentaire, mais vous devez rendre le robot assez identique au nôtre pour qu'il fonctionne correctement. Donc, dans la plupart des cas, vous devez régler le contrôleur pour qu'il fonctionne au mieux avec votre robot. C'est assez facile, même si c'est assez long. Voici comment procéder:

Réglage du contrôleur

Quelque part dans le code, vous trouverez 4 variables, en commençant par un k. Ce sont kp, kd, kc et kv. Commencez par mettre toutes les valeurs à zéro. La première valeur à définir est kp. La valeur kp par défaut est 0,17. Essayez de le régler sur quelque chose de beaucoup plus bas, comme 0,05. Éteignez le robot, téléchargez le code et voyez comment il essaie de s'équilibrer. S'il tombe vers l'avant, augmentez la valeur. La façon la plus intelligente de le faire est d'interpoler:

1. Définissez la valeur sur quelque chose de faible et essayez-le
2. Définissez la valeur sur quelque chose de élevé et essayez-le
3. Réglez la valeur sur la moyenne des deux et essayez-la
4. Maintenant, essayez de savoir s'il s'équilibre mieux sur la valeur basse ou élevée et faites la moyenne de la valeur actuelle et de celle à laquelle cela a mieux fonctionné.
5. Continuez jusqu'à ce que vous trouviez un endroit idéal

Le point idéal pour la valeur kp se situe à la limite de la sous-compensation et de la surcompensation. Ainsi, parfois, il tombera vers l'avant car il ne peut pas suivre sa vitesse de chute, et d'autres fois, il tombera en arrière car il dépasse dans une direction différente.

Après avoir défini la valeur kp, définissez le kd. Cela peut être fait de la même manière que vous l'avez fait avec kp. Augmentez cette valeur jusqu'à ce que le robot soit presque équilibré, de sorte qu'il oscille d'avant en arrière jusqu'à ce qu'il tombe. Si vous le réglez trop haut, vous pouvez déjà l'équilibrer assez bien, mais lorsque l'équilibre est trop perturbé, il tombera (comme lorsque vous le poussez). Essayez donc de trouver l'endroit où ce n'est pas tout à fait équilibré, mais assez proche.

Comme vous pouvez le deviner, le réglage du contrôleur peut prendre plusieurs essais car cela devient plus difficile avec chaque nouvelle variable introduite. Donc, si vous pensez que cela ne fonctionnera pas, recommencez.

Il est maintenant temps de régler le kv. Interpolez ceci jusqu'à ce que vous trouviez une valeur à laquelle le robot arrête de se balancer, reste en équilibre et peut supporter une légère poussée. Lorsqu'il est réglé trop haut, il a un impact négatif sur la stabilité. Essayez de jouer avec kv et kp pour trouver un point auquel c'est le plus stable. C'est l'étape la plus longue du réglage.

La dernière valeur est kc. Cette valeur fait revenir le robot à sa dernière position après avoir compensé une poussée ou autre chose. Vous pouvez essayer la même méthode d'interpolation ici, mais 0,0002 devrait fonctionner assez bien dans la plupart des cas.

C'est ça! Votre robot est maintenant prêt. Utilisez le joystick de votre smartphone pour contrôler le robot. Attention cependant, car avancer à vitesse maximale peut toujours faire basculer le robot. Jouez avec les variables du contrôleur pour compenser cela autant que possible. L'étape la plus logique serait de regarder la valeur kp pour cela, car cela compense directement l'angle actuel du robot.

Remarque importante sur les batteries LiPo

Il est recommandé de vérifier régulièrement la tension de votre batterie LiPo. Les batteries LiPo ne doivent pas être déchargées à moins de 3 volts par cellule, mesurant 9 volts sur une LiPo 3S. Si la tension descend en dessous de 3 volts par cellule, il y aura une perte permanente de capacité de la batterie. Si la tension descend en dessous de 2,5 volts par cellule, jetez la batterie et achetez-en une nouvelle. Charger une cellule LiPo avec moins de 2,5 volts est dangereux car la résistance interne devient très élevée, ce qui entraîne une batterie chaude et un risque d'incendie potentiel pendant la charge.