Czego potrzebujesz, aby zbudować własnego autonomicznego robota

Czy kiedykolwiek chciałeś zbudować własnego robota? Nie jest to tak trudne, jak mogłoby się wydawać, zarówno przy użyciu zestawu, jak i szeregu standardowych komponentów elektronicznych.

Główną przeszkodą jest poruszanie się po oszałamiającej liczbie dostępnych opcji budowy robota kołowego, w tym jego mikrokontrolera, obudowy, silników i czujników. Najłatwiejszą opcją jest zakup pełnego zestawu robota, ale jeśli chcesz stworzyć robota na zamówienie, przeprowadzimy Cię krok po kroku przez główne wybory do dokonania.

1. Mikrokontroler / SBC

Twój robot będzie potrzebował elektronicznego „mózgu”, aby kontrolować wszystkie swoje funkcje, w tym ruch. Dwie najpopularniejsze opcje to Raspberry Pi i Arduino.

Raspberry Pi to komputer jednopłytkowy (SBC) z mikroprocesorem Arm, który może obsługiwać pełny system operacyjny Linux. Główną zaletą budowania robotów jest to, że: mocniejszy niż mikrokontroler, taki jak Arduino, umożliwiając uruchamianie bardziej złożonych programów. Jest to idealne rozwiązanie do rozpoznawania twarzy i innych form sztucznej inteligencji, dzięki czemu możesz stworzyć naprawdę inteligentnego robota.

Kolejną zaletą jest to, że można go zaprogramować w praktycznie dowolnym języku. Jedna z najpopularniejszych w robotyce w Pythonie, która jest mniej zniechęcająca niż C dla początkujących w programowaniu.

Z drugiej strony Arduino jest idealne do prostszych projektów robotyki. Oprócz tego, że zazwyczaj jest tańszy, zużywa mniej energii, więc rozładowywanie przenośnego banku energii lub akumulatora zajmuje więcej czasu..

Podczas gdy normalnie jest programowany w C za pomocą Arduino IDE na komputerze, możliwe jest użycie graficzne IDE o nazwie Xod do sterowania robotami Arduino.

Inne mikrokontrolery również nadają się do robotyki, w tym Teensy, BeagleBone, micro: bit i Raspberry Pi Pico.

2. Podwozie

W przypadku robota na kółkach będziesz potrzebować podwozia, aby uformować jego korpus, pomieścić elektronikę i zamontować silniki (za pomocą wsporników).

Jest ich wiele zestawy podwozia dostępne, w różnych rozmiarach i materiałach, zazwyczaj dla robotów dwu- lub czterokołowych – czasem sześciokołowych. Większość z nich to proste platformy do montażu elektroniki i silników; droższe opcje mogą obejmować system zawieszenia.

Alternatywnie możesz zbudować własne podwozie DIY z materiałów takich jak plastik, metal, drewno, klocki Lego, a nawet karton. Ważną kwestią jest to, jak wytrzymały ma być twój robot. Jeśli musisz poradzić sobie z trudnym terenem, będziesz potrzebować bardziej wytrzymałego podwozia.

3. Motoryzacja

Aby Twój robot się poruszał, potrzebujesz silników. W przypadku robota kołowego będą to standardowe silniki prądu stałego, które – w przeciwieństwie do serwomechanizmów lub silników krokowych – obracają się swobodnie z dużą prędkością.

Niektóre silniki mają wbudowaną skrzynię biegów, która zwiększa moment obrotowy i napędza większe obciążenia. Sprawdź przełożenie (lub redukcję prędkości): im wyższy, tym większy moment obrotowy i niższa prędkość. W przypadku projektów dla początkujących zalecane są wyższe wskaźniki.

Jeśli potrzebujesz dokładnego odczytu i kontroli prędkości silnika, istnieje również możliwość dodania magnetyczny lub optyczny enkoder prędkości do każdego wału silnika, który przekaże dane z powrotem do twojego mikrokontroler.

Prędkość każdego silnika jest zwykle kontrolowana przez PWM (modulacja szerokości impulsu), która polega na wysyłaniu strumienia cyfrowych impulsów on-off: im więcej impulsów w cyklu, tym szybciej się kręci.

4. Kierowca motocyklu

Nie możesz podłączyć silników prądu stałego bezpośrednio do komputera jednopłytowego lub płytki mikrokontrolera, ponieważ ta ostatnia nie będzie w stanie dostarczyć wystarczającej mocy dla silników i możesz uszkodzić płytkę.

Zamiast tego będziesz potrzebować płytki sterownika / kontrolera silnika podłączonej między silnikami a mikrokontrolerem, a także ze źródłem zasilania. Niedrogie karty sterowników są często oparte na dwukanałowym układzie mostka H L298N lub DRV8833. Liczba kanałów określa, ile silników można kontrolować niezależnie, więc będziesz potrzebować więcej kanałów (i sterowników) dla napędu 4WD lub 6WD.

Chociaż możliwe jest, aby ktoś, kto zna się na elektronice, zbudował własny sterownik silnika z mostkiem H, łatwiej jest kupić płytę sterownika. Dostępnych jest wiele kapeluszy HAT do zamontowania na Raspberry Pi, a także dedykowany Osłona silnika dla Arduino.

Kluczowym czynnikiem przy wyborze sterownika silnika jest upewnienie się, że poradzi sobie z napięciem wymaganym przez silniki, a także z ich ciągłym prądem roboczym. Jeśli nie możesz znaleźć tego ostatniego w specyfikacjach silników, jest on zwykle o 20% do 25% niższy niż prąd przeciągnięcia. Maksymalny prąd sterownika silnika powinien wynosić około dwukrotności prądu ciągłego silników.

5. Koła

Oczywiście są one niezbędne dla robota na kółkach! Prosty robot dwukołowy jest najłatwiejszy dla początkujących, zwykle wyposażony w małe kółko bez napędu, koło lub płozę z przodu, aby pomóc mu utrzymać równowagę.

Czterokołowy robot to kolejny krok naprzód, zapewniający dodatkową stabilność i kontrolę. Jeśli chcesz niezależnej kontroli każdego silnika/koła dla prawdziwego napędu na 4 koła, będziesz potrzebować dwóch dwukanałowych układów sterownika silnika na swojej płycie. Alternatywnie możesz użyć jednego sterownika do sterowania dwoma silnikami na każdym kanale, pod warunkiem, że ma wystarczającą wydajność prądową, aby obsłużyć je wszystkie.

W terenie może być nawet sześć kół, ale do ich przystosowania potrzebne będzie dłuższe podwozie. Możesz dodać gąsienice dla dodatkowej przyczepności, a nawet system kołyskowy, taki jak w łaziku Perseverance Mars NASA.

Chociaż możliwe jest posiadanie kierowanych kół za pomocą serwomechanizmów do obracania nimi i ich silnikami, najpopularniejszą metodą sterowania robotem jest po prostu uruchamianie kół z jednej strony szybciej niż z drugiej.

Inną ciekawą opcją jest zastosowanie kółek Mecanum, których specjalne rolki umożliwiają przesuwanie się na boki, gdy cztery koła obracają się w określony wzór. Świetne do parkowania równoległego!

6. Moc

Posiadanie robota przywiązanego do gniazdka sieciowego byłoby pewnym ograniczeniem, więc będziesz potrzebować przenośnego źródła zasilania. Istnieją dwie główne metody:

1. Używaj oddzielnych źródeł zasilania dla silników i elektroniki.
2. Użyj jednego źródła zasilania podłączonego do obu poprzez BEC (obwód eliminatora baterii). Twoja płyta sterownika silnika może zawierać BEC.

Niezależnie od wybranej opcji możliwe źródła zasilania obejmują power banki USB, pakiety baterii (np. 4x AA) i akumulatory LiPo. Tylko upewnij się, że dostarczasz odpowiednie napięcia i poziomy prądu. Wiele płyt sterownika silnika zapewnia ochronę przed przetężeniem i odwrotną polaryzacją.

7. Czujniki

Chociaż możliwe jest zaprogramowanie robota tak, aby poruszał się według ustalonego wzorca lub kontrolował go ręcznie ze zdalnego urządzenia, dodanie czujników umożliwi mu autonomiczne działanie.

Ultradźwiękowy czujnik odległości, taki jak HC-SR04, pozwoli robotowi wyczuć przed sobą ścianę lub inną przeszkodę, aby mógł podjąć działania omijające.

Inną popularną opcją jest skłonienie robota do podążania ścieżką na podłodze. Jeden lub więcej czujników śledzenia linii IR zamontowanych z przodu umożliwia wykrycie ciemnej linii na podłodze i sterowanie nią.

Możesz nawet nadać swojemu robotowi „oczy” za pomocą małej kamery. Obrazy można interpretować za pomocą biblioteki wizji komputerowej, takiej jak OpenCV, do wykrywania obiektów, a nawet twarzy.

Zbuduj własnego autonomicznego robota: sukces

Masz teraz przegląd, jak zbudować własnego robota kołowego. Mamy nadzieję, że zainspirowało Cię to do pierwszej wyprawy do wspaniałego świata robotyki. Po zbudowaniu pierwszego robota możesz chcieć stworzyć inny typ, na przykład z nogami lub ramieniem robota.

Najlepsza ciemna przeglądarka internetowa dla Twojego urządzenia

Chcesz uzyskać dostęp do ciemnej sieci? Musisz użyć ciemnej przeglądarki internetowej, która może Cię tam zabrać i chronić również Twoją prywatność.

Czytaj dalej

O autorze