3nектроника Михаил Момот Мобипьные роботы пюбой спожности и быстро! nerкo 2-е издание Материалы на www.bhv.ru Михаил Момот МОБИПЬНЬI РОБОТЬI AЕr uino Б Е нА Аз 2-е издание Санкт- Петербург « БХВ-Петербург» 2018 007.52 УДК ББК 32.816 М76 МомотМ.В. М76 Мобильные роботы на базе Arduino.-2-е изд., перераб. и дол.-СПб.: БХВ-Петербург, 2018.-336 с.: ил.-(Электроника) ISBN 978-5-9775-3861-9 Руководство для начинающих конструкторов написано в форме практических проектов по построению мобильных роботов. Для их реализации выбрана попу­ лярная платформа Arduino и единая базовая четырехколесная конструкция. Слож­ ность проектов возрастает от простой, управляемой с пульта «машинкИ>> до интел­ лектуального говорящего робота. Рассказано, как управлять моторами, осуществ­ лять сборку механики и электроники, программировать основные функции и упр ь роботом. Роботы смогут обходить препятствия, выбираться из запутан­ авлят ных лабиринтов, искать кегли и определять их цвета, ориентироваться по элек­ тронному компасу, гироскопу и даже балансировать на двух колесах. Во 2-м издании обновлены все алгоритмы, добавлены проекты гироскоп-аксе­ лерометр, говорящий робот, голосовое управление роботом, механическая «рука» и др. Электронный архив, находящийся на сайте издательства, содержит детали ро­ бота для печати на Зd-принтере, векторные рисунки для резки лазером, листинги, дополнительные библиотеки и программы. Для читателей, интересующихся электроникой и робототехникой УДК 007.52 ББК 32.816 Группа подготовки издания: Главный редактор Екатерина Кондукова Зам. главного редактора Евгений Рыбаков Зав. редакцией Екатерина Капалыгина Редактор ГригорийДобин Компьютерная верстка Ольги Сергиенко Корректор Зинаида Дмитриева Дизайн обложки Марины Дамбиевой Подписанво п ечат3ь1. 10.17. Форма7т0 х1001/18. Печатьофсе тная. Ycn. печл.. 2 7,09. Тираж20 00 экзЗ.а каNlз l 5452. "БХВ-Петерб1у9р10г3'6,' С,а нкт-ПетербуГрогн,ч арная2 0у. л., 000 "Печатндоее ло", 142300, МО, г.Ч ехову,л .П олиграфисдт.о1 в , ISBN 978-5-9775-3861-9 © 000 "БХВ", 2018 ©Оформление. 000 "БХВ-Петербург", 2018 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ........................................................................................................... 1 Глава Основные составные части робота 1. ............................................... S Информационно-измерительная система 5 ....................................................................... Датчик касания ............................................................................................................ б Датчик температуры ................................................................................................... б Датчик освещенности 7 ................................................................................................. Датчик препятствия 7 .................................................................................................... Ультразвуковой датчик расстояния 8 .......................................................................... Оптический рефлекторный датчик расстояния 8 ....................................................... Детектор шума 9 ............................................................................................................ Энкодер 10 ..................................................................................................................... Датчик движения 10 ....................................................................................................... Датчик газа ................................................................................................................ 11 Датчик влажности 11 ..................................................................................................... Видеокамера 12 ............................................................................................................. Система принятия решений 12 ............................................................................................ Микроконтроллер 13 ...................................................................................................... Контроллер Arduino 13 .................................................................................................. Система связи 15 .................................................................................................................. Инфракрасный приемник 15 ......................................................................................... Канал Bluetooth ......................................................................................................... 1б Канал Wi-Fi ................................................................................................................ 1б Дисплей 17 ..................................................................................................................... Исполнительная система 17 ................................................................................................ Электрический двигатель постоянного тока 18 .......................................................... Сервомотор 19 ............................................................................................................... Шаговый двигатель 19 .................................................................................................. IV Оглавление Система энергоснабжения . 20 ......... .................................................................................... Механика робота 20 .............................................................................................................. Вспомогательные элементы 20 ........................................................................................... Резистор . 20 ......................................................... .......................................................... Светодиод . ... ... .. . . . 21 ............... ... . . ........... . . ... . ................................ ................. .............. . Выключатель . 21 ............................................................... ............................................. Сервисные платы 21 ..................................................................................................... Выводы 23 ............................................................................................................................. Глава Провода и их соединения 2. .............................................................. 24 Виды проводов . .. . 24 .......... ........ . ............... ........................................................................... Одножильные . .. . 24 ............................ ................ ..... ....................................................... Многожильные . 25 .................................................................................................. ....... Способы соединений проводов . 25 .................................................................... ................. Скрутка . . 25 ...................................................... ...... ........................................................ Разъемные соединения . . 26 ... ............. ......................................................................... Пай ка и ее основы 28 .................................................................................................... Оборудование и материалы ... . . . . .. . 28 .. . . ........ ... ......... ..... ... . ..... ............................ Этапы пайки 29 ...................................................................................................... Выбор паяльника 30 .............................................................................................. Уход за паяльником . 31 ............................................................... ......................... Припои . . . ... . . . 31 .......... .. ... ....................... . . .............................. ........ .... .................... Флюсы .. . . 32 ................................................................. . ........... ........ ...................... Выводы . 33 ............................................................................... ............................................. Глава Электропитание 3. ............................................................................... 34 Закон Ома . . . 34 .......................... ..................................................................... ...... ................. Электрическая мощность 34 ................................................................................................ Характеристики элементов питания . 35 ...................................... ....................................... Номинальное напряжение ... . 35 .. . . ............... ................................................................ Номинальный ток ... 35 ................................................ . . ................................................. Емкость . . 35 ........................................................................................ ............... ............. Форм-фактор . . . 35 ....... ............................................................................ ............ ........... Типы элементов электрического питания . . 35 ..... ....................................................... ....... Солевые батареи . . 36 ............................................................... ....... .............................. Алкалиновые батареи .. .. 36 .. . .......................................................................... . ............ Никель-металлогидридные аккумуляторы 36 ............................................................. Литий-ионные аккумуляторы . .. . 36 ................ . . ...................................................... ....... Стабилизация электропитания 37 ....................................................................................... Стабилизация напряжения . 38 .................................................... ................................. Стабилизация электрического тока . . . 40 .............................. ...... ... .............................. Измерение электрического тока, напряжения и сопротивления ................................. 40 Выводы . . :. ........ 42 ...... .................................................................................. ......................... Оглавление v Глава Основы программирования Arduino 4. ............................................ 43 Компьютерная программа . . . 43 .............................. ..... ............ ............................................. Алгоритм . 44 . ......................................................................................................................... Среда разработки Arduino 45 IDE ........................................................................................ Установка Arduino . . 45 IDE ........................................................ ... ................................. Начало работы с Arduino 46 IDE .................................................................................. Подключение контроллера Arduino к ПК 46 ................................................................ Мигаем светодиодом . 50 ...................................................................................................... Мониторинг работы программы 51 ..................................................................................... Переменные ... 52 ............. ..................................................................................................... Условные операторы . . . . . .. . . 54 .... ........................... ..... ... ... ... . .................... ........................ .... Оператор f 54 i ... e/se ..................................................................................................... Оператор 57 switch ... case ........................................................................................... Операторы циклов и for . . 58 while ................................. ....... ................................................ Функции 60 ............................................................................................................................. Элементы объектно-ориентированного nрограммирования 61 ....................................... Разделение программы (внутренние библиотеки) 62 ....................................................... Выводы . . . . . . 63 ........... .. ..... .. ............. .............................................................. ........................ Глава Ходовая часть 5. ................................................................................. 64 Типы ходовых частей . . . . 64 ................................ .......... ... .. ................................................... Ноги . . 64 ........................ ............. ..................................................................................... Гусеницы . . 66 ........................... ........................................................................ .............. Колеса с дифференциалом .....................................................................................6 7 Колеса на моторах . 57 ..................................................................................... .............. Летающие роботы . . 58 ........................................................................ ............. .............. Выбор двигателей ............................................................................................................6 9 Драйверы двигателей . 70 ................................................... .......................................... Широтно-импульсная модуляция 73 ............................................................................ Вращение в обе стороны . . .. . 73 ......................... ..................................... ...... .. .............. Сборка макета . 75 ........ ......................................................................................................... Управляем двигателем без Arduino . 75 .................................................... ................... Подключаем контроллер Arduino 77 ............................................................................ Тестовая программа управления двигателями . . 79 .............. ................. .................... Добавляем регулирование на основе ШИМ . 80 .................... ...................................... Тестовая программа управления двигателями с регуляцией на основе ШИМ 81 .. Регулирование скорости вращения без использования аппаратного ШИМ 82 ....... Выводы . . . 84 .............. ...... ................................................................ ...................................... Глава Сборка базовой модели 6. ................................................................. 85 Минимальный комплект 85 .................................................................................................. Элементы питания 88 ........................................................................................................... Двигатели 88 ......................................................................................................................... Vl Оглавление Драйвер двигателей ........................................................................................................ 91 Соединение платы драйвера и двигателей .................................................................. 93 Проверка правильности подключения платы драйвера и двигателей ....................... 94 Верх корпуса .................................................................................................................... 99 Установка устройств обратной связи ........................................................................... 103 Светодиод ...............................................................................................................1 03 Зуммер ..................................................................................................................... 107 Укладка проводов ..........................................................................................................1 08 Выводы ........................................................................................................................... 109 Глава Схема управления движением 7. .................................................... 110 Переменные и функции управления моторами .......................................................... 11 О Функции движений ......................................................................................................... 111 Первая поездка .............................................................................................................. 111 Алгоритм .................................................................................................................. 111 Программа ............................................................................................................... 112 Разделяем программу на два файла ...........................................................................1 15 Сигнал светодиодом ......................................................................................................1 18 Выводы ........................................................................................................................... 119 Глава Дистанционное управление роботом 8. ........................................ 121 Способы дистанционного управления ......................................................................... 121 Управление роботом по каналу инфракрасной связи ................................................ 122 Схема подключения ............................................................................................... 124 Рекомендации по установке .................................................................................. 124 Установка расширенной библиотеки .................................................................... 126 Получение кодов кнопок для используемого пульта ...........................................1 26 Программа ............................................................................................................... 129 Управление роботом по каналу Bluetooth ................................................................... 1 34 Подбор злементной базы ...................................................................................... 13 5 Подключение к Arduino ........................................................................................... 1 36 Смена имени робота .............................................................................................. 1 38 Настройка смартфона ............................................................................................ 140 Устранение радиопомех ........................................................................................ 141 Программа ............................................................................................................... 142 Выводы ...........................................................................................................................1 46 Глава Движение по черной линии 9. ......................................................... 147 Обнаружение черной линии .......................................................................................... 148 Фотодиод ................................................................................................................. 148 Фоторезистор .......................................................................................................... 149 Фототранзистор ...................................................................................................... 150 Инфракрасный датчик отражения TCRT 5000 ..................................................... 150 Оглавление Vll Подготовка робота: установка датчиков . . . 152 ......................................... .... ..................... . Выводы 157 ........................................................................................................................... Глава Поворотная голова 10. ..................................................................... 158 Ультразвуковой дальномер HC-SR04 .......................................................................... 158 Схема подключения . 159 .............................................. ........................................................ Измерение расстояния . . 161 ........... ............................................. ........................................ Управление сервомотором 163 ........................................................................................... Монтаж головы . . 164 ........................................................ .................................... ................. Если что-то пошло не так . 168 ........................................................................................ ..... Выводы . . . . . . 169 .................................................................... ................ .... ..... ............ ......... ... Глава Ходовые испытания: обход препятствий 11. ............................... 170 Программа проверки и настройки основных функций робота 170 ................................... Константы и постоянные времени 174 ........................................................................ Отладка программы . . . . . 175 ..................... .................................. ........................... ....... ....... .. Выводы . . . 179 ................... ............................................................... .................. .................... Глава Робот, находящий выход из лабиринта 12. .................................. 180 Способ обхода лабиринта . . 181 ............. ................... .......................................................... Обход лабиринта без модернизации робота .. 182 ....................................................... ..... Программа .. . 184 ........ ..... ............................................................................................... Сравнение и выбор датчиков . . 186 ................................................................ ... .................. Ультразвуковой датчик HC-SR04 .......................................................................... 186 Инфракрасный детектор препятствия 187 .................................................................. Инфракрасный датчик Sharp GP2YOA21YK ......................................................... 187 Обоснование выбора датчиков препятствия . 188 .................................................... .. Модернизация робота 188 ................................................................................................... Монтаж детекторов препятствия .. 188 ........................ . ................................................ Программа для робота с детекторами препятствия .. . 192 .......... ........... ................... Модернизируем программу . 196 .............................................. .................................... Выводы 198 ........................................................................................................................... Глава Робот, держащий направление по электронному компасу 13. .... 199 О компасе подробнее . . 199 ............................................................................... ........... ........ Электронный компас . 200 .................................................................... ................................ Подключение . . . 200 ............. ................. ......................................................................... . Организация обмена данными 202 .............................................................................. Модернизация робота 203 ................................................................................................... Получение данных от HMC5883L .......................................................................... 205 Правильная установка магнитометра . 209 .............................................................. .... Программа . 210 ....................................................................................... ....................... Дополнительные материалы по калибровке . . 214 ................. ..................... ................ Выводы 214 ........................................................................................................................... Vlll Оглавление Глава Робот, держащий направление 14. по электронному rироскопу-акселерометру ............................................ 215 Гироскоп 215 .......................................................................................................................... Акселерометр 217 ................................................................................................................. Электронный гироскоп 218 ................................................................................................... Подключение гироскопа-акселерометра MPU-6050 219 ............................................ Получение данных с MPU-6050 221 ............................................................................. Шкала значений MPU-6050 223 .................................................................................... Модернизация робота 224 ................................................................................................... Схема подключения 224 ............................................................................................... Программирование 225 ................................................................................................. Основные функции 225 ......................................................................................... Программа 233 ...................................................................................................... Выводы 236 ........................................................................................................................... Глава Робот, иrрающий в кеrельринr 15. ................................................. 238 Простой кегельринг 239 ....................................................................................................... Двухцветный кегельринг 243 ............................................................................................... Порядок обхода 243 ...................................................................................................... Обнаружение черной линии 244 .................................................................................. Обнаружение кегли 244 ................................................................................................ Определение цвета кегли 246 ...................................................................................... Коррекция направления движения 246 ....................................................................... Модернизация робота с использованием гироскопа 247 .................................................. Установка датчиков 249 ................................................................................................ Программа 251 ............................................................................................................... Выводы 254 ........................................................................................................................... Глава Говорящий робот 16. ........................................................................ 255 Соэдание и монтаж аудиосистемы робота 255 .................................................................. Подготовка аудиосообщений 263 ........................................................................................ Модернизация программы 266 ............................................................................................ Выводы 272 ........................................................................................................................... Глава Балансирующий робот 17. ............................................................... 273 Сборка балансирующего робота 273 .................................................................................. Схема подключения 273 ............................................................................................... Конструкция 274 ............................................................................................................. Программирование 276 ........................................................................................................ Программа на показаниях гироскопа 276 .................................................................... Программа с фильтром Калмана 279 .......................................................................... Программа с комплементарным фильтром 283 ......................................................... Комплементарный фильтр 283 ............................................................................ Точная настройка 284 ................................................................................................... Выводы 287 ........................................................................................................................... Оглавление IX Глава Некоторь1е улучшения и прочая полезная информация 18. ...... 288 Если не хватает портов ввода/вывода ........................................................................ 288 Сдвигавые регистры: nодключаем 8 светодиодов, электронное табло и управляем 18-ю выходами ................................................................................. 288 Аналоговый мультиnлексор: nодключаем 16 и более аналоговых датчиков 294 ...... Многоканальный РWМ-драйвер: робот-андроидна 16 сервомоторах 296 .............. Универсальное решение: два контроллера Arduino в связке . 299 .................... ........ Подключаем шаговые двигатели . . 302 ......................................................................... ... ... Робот, выnолняющий голосовые команды . . 305 .............................. ................ .................. Рука для робота 31 ............................................................................................................. О Еще раз об электронном архиве 312 .................................................................................. Как связаться с автором? .............................................................................................. 312 Приложение Описание платы Arduiпo Seпsor Shield 1. v5.0. ................. 313 Приложение Содержание электронного архива 2. .................................. 316 Предметный указатель ................................................................................ 321