Өзүңүздүн Turtlebot роботуңузду куруңуз!: 7 кадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:40

ТҮЗӨТҮҮ:

Программалык камсыздоо жана башкаруу боюнча кошумча маалымат бул шилтемеде жеткиликтүү:

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

Кодго түз шилтеме:

github.com/MattMgn/foxbot_core

Эмне үчүн бул долбоор?

Turtlebot 3 - электроникага, робототехникага жана ал тургай AIге терең кирүү үчүн эң сонун платформа! Мен өзгөчөлүктөрүн жана иштөөсүн жоготпостон жеткиликтүү компоненттер менен өз ташбакаңызды этап-этабы менен курууну сунуштайм. Бир нерсени эске алуу менен: баштапкы роботтон эң жакшысын сактоо, анын модулдуулугу, жөнөкөйлүгү жана ачык булак коомчулугунан автономдуу навигация жана AI үчүн көптөгөн пакеттер.

Бул долбоор башталгычтар үчүн электроника, механика жана компьютер илимдери боюнча түшүнүктөрдү алууга жана тажрыйбалуу адамдар үчүн жасалма интеллект алгоритмдерин сыноо жана иштеп чыгуу үчүн күчтүү платформа алуу мүмкүнчүлүгү.

Бул долбоордо эмнени ачасыз?

Сиз толук шайкештикти камсыз кылуу үчүн оригиналдуу боттон кайсы маанилүү механикалык жана электрондук бөлүктөрдү сактоо керек экенин билүү алдында турасыз.

Бүт куруунун процесси деталдуу түрдө болот: 3D бөлүктөрүн басып чыгаруу, чогултуу жана бир нече компоненттерден баштап, электрониканы ширетүү жана интеграциялоо, акыры Arduinoдо кодду түзүү. Бул үйрөткүч сизди ROS менен тааныштыруу үчүн "салам дүйнө" мисалында жыйынтыктайт. Эгерде бир нерсе түшүнүксүз болуп жатса, суроо берүүдөн тартынба!

Жабдуулар

Электроника:

ROSту иштетүү үчүн 1 х бирдиктүү компьютер, мисалы, Raspberry Pi же Jetson Nano болушу мүмкүн

1 x Arduino DUE, сиз UNO же MEGA колдоно аласыз

Бул жерде Arduino DUE pin-out'ге туура келген 1 x Proto-board

2 x 12V DC моторлору коддогучтар менен (100 RPM варианты)

1 x L298N мотор айдоочу

2 x 5V жөндөгүч

1 x Батарея (мисалы, 3S/4S LiPo батареясы)

2 x ON/OFF которгучтары

2 x LED

2 x 470kOhm резисторлору

3 х 4 казык JST туташтыргычы

1 x USB кабели (жок дегенде SBC менен Arduino ортосунда)

Сенсорлор:

1 x Учурдагы сенсор (милдеттүү эмес)

1 x 9 Эркиндик даражасы IMU (милдеттүү эмес)

1 x LIDAR (милдеттүү эмес)

Шасси:

16 x Turtlebot модулдук плиталары (аны 3D басып чыгарууга да болот)

2 х Wheels 65mm диаметри (6mm туурасы параметр)

4 х нейлон аралыгы 30 мм (милдеттүү эмес)

20 x M3 кыстаруу (милдеттүү эмес)

Башкалар:

Зымдар

М2.5 жана М3 бурамалары жана кыстармалары

3D принтер же сиз үчүн тетиктерди басып чыгара турган адам

Кол менен жасалган бургулоо, бургулоо сыяктуу бир бурчу

1 -кадам: Description

Бул робот жөнөкөй дифференциалдуу диск, моторуна түздөн -түз орнотулган 2 дөңгөлөктү жана роботтун кулап кетүүсүн алдын алуу үчүн арткы жагына жайгаштырылган. Робот эки катмарга бөлүнөт:

Төмөнкү катмар: кыймыл тобу (батарейка, мотор контроллери жана моторлор) жана "төмөнкү деңгээлдеги" электроника: Arduino микроконтроллери, чыңалуу жөндөгүчү, өчүргүчтөр …

Жогорку катмар: "жогорку деңгээлдеги" электрондук, тактап айтканда, бирдиктүү компьютер жана LIDAR

Бул катмарлар структуранын бекемдигин камсыз кылуу үчүн басылган бөлүктөр жана бурамалар менен байланышкан.

Электрондук схема

Схема бир аз иретсиз көрүнүшү мүмкүн. Бул схемалык чийме жана ал бардык зымдарды, туташтыргычтарды жана протоколдорду билдирбейт, бирок аны төмөнкүчө окууга болот:

3000mAh кубаттуулугуна ээ 3S Litihum Ion Polymer батареясы биринчи схеманы кубаттайт, мотордун контролдоочу тактасын (L298N) жана мотор коддогучтар менен Arduino үчүн биринчи 5V жөндөгүчтү кубаттайт. Бул схема күйгүзүү/өчүрүү абалын көрсөтүүчү светодиод менен которуу аркылуу иштетилет.

Ошол эле батарейка экинчи схеманы иштетет, кирүү чыңалуусу Бирдиктүү Так ЭЭМ үчүн 5В айландырылат. Бул жерде, ошондой эле, схема которгуч жана LED аркылуу иштетилет.

LIDAR же камера сыяктуу кошумча сенсорлорду Raspberry Pi түз USB же CSI порту аркылуу кошсо болот.

Механикалык дизайн

Робот алкагы 16 бирдей бөлүктөн турат, алар 2 чарчы катмарды (туурасы 28 см) түзгөн. Көптөгөн тешиктер кошумча бөлүктөрдү керектүү жерге орнотууга жана толук модулдук дизайнды сунуштоого мүмкүндүк берет. Бул долбоор үчүн мен түпнуска TurtleBot3 табактарын алууну чечтим, бирок сиз аларды 3D форматында басып чыгара аласыз, анткени алардын дизайны ачык булак.

2 -кадам: Мотордук блокту чогултуу

Мотор даярдоо

Биринчи кадам - ар бир мотордун тегерегине калыңдыгы 1 мм болгон көбүк скотчун кошуу, мотор айланганда титирөөнү жана ызы -чууну алдын алуу.

Басылган бөлүктөр

Мотор кармагыч моторду вице сыяктуу кармап турган эки бөлүктөн турат. Моторду кармагычка бекемдөө үчүн 4 бурама жетишилген.

Ар бир кармагыч структурага орнотула турган M3 кыстармаларын камтыган бир нече тешиктерден турат. Чындыгында талап кылынгандан ашык тешиктер бар, кошумча тешиктер акыры кошумча бөлүктү орнотуу үчүн колдонулушу мүмкүн.

3D принтердин орнотуулары: бардык бөлүктөрү төмөнкү параметрлер менен басылат

• Диаметри 0,4 мм
• 15% материалдык толтуруу
• 0,2 мм бийиктиктеги катмар

Wheel

Тандалган дөңгөлөктөр адгезияны максималдаштыруу жана тайып кетүү шарттарын камсыз кылуу үчүн резина менен капталган. Кысуучу винт мотордун валына орнотулган дөңгөлөктү кармап турат. Дөңгөлөктүн диаметри кичинекей кадамды жана жердин бузулушун кесип өтө чоң болушу керек (бул дөңгөлөктөрдүн диаметри 65 мм).

Фиксация

Бир мотор блогу менен бүткөндөн кийин, мурунку операцияларды кайталап, анан аларды M3 бурамалары менен катмарга бекиңиз.

3 -кадам: Коммутаторлор жана кабелди даярдоо

Мотор кабелин даярдоо

Жалпысынан мотор-кодер кабель менен коштолот, анын бир жагында коддоочу ПХБнын арткы жагын 6pin туташтыргычы, экинчи жагында жылаңач зымдар бар.

Сиз аларды прото тактаңызга же жада калса Arduinoңузга түз эле ширетүү мүмкүнчүлүгүңүз бар, бирок мен анын ордуна аялдын пин башын жана JST-XH бириктиргичтерин колдонууну сунуштайм. Ошентип, сиз аларды прото тактаңызга сайып/ажыратып, монтаждооңузду жеңилдете аласыз.

Кеңештер: сиз зымдарыңыздын тегерегине кеңейтилүүчү бурамалуу өрүмдү жана туташтыргычтардын жанындагы кысылган түтүктү кошо аласыз, ошондо сиз "таза" кабелге ээ болосуз.

Switch жана LED

Эки электр схемасын иштетүү үчүн, 2 светодиодду жана кабелдерди которгула: адегенде 470kOhm резисторду светодиоддун бирине, андан кийин светодиодду бирине которуштуруу үчүн. Бул жерде, резистордун ичин жашыруу үчүн кичирейтүүчү түтүктү колдонсоңуз болот. Светодиодду туура багытта ширетүүдөн этият болуңуз! Бул операцияны кайталап, эки которгуч/лед кабелин алыңыз.

Ассамблея

Мурда жасалган кабелдерди тиешелүү 3D басылган бөлүккө чогултуп алыңыз. Коммутаторду жаңыртуу үчүн гайканы колдонуңуз, светодиоддор клейди талап кылбайт, аны тешикке батыруу үчүн жетиштүү күч.

4 -кадам: Электрондук такталардын зымдары

Тактанын жайгашуусу

Зымдардын санын азайтуу үчүн Arduino тактасынын макетине туура келген прото тактасы колдонулат. Протоколдун үстү жагында L298N Dupont аял башы менен толтурулган (Дюпонт "Arduino сыяктуу" аталыштары).

L298N даярдоо

Башында, L298N тактасы тийиштүү эркек Дюпонтун баш аты менен келбейт, тактанын астына 9 казык катар кошуу керек. Сүрөттө көрүнүп тургандай, учурдагы тешиктерге параллель диаметри 1мм болгон 9 тешикти ишке ашыруу керек. Андан кийин 2 катардагы тиешелүү казыктарды ширетүүчү материалдар жана кыска зымдар менен байланыштырыңыз.

L298N pin-out

L298N ылдамдыкты жана багытты башкарууга мүмкүндүк берүүчү 2 каналдан турат:

биринчи канал үчүн IN1, IN2, экинчиси үчүн IN3 жана IN4 деп аталган 2 санариптик чыгуу аркылуу багыт

Биринчи канал үчүн ENA, экинчиси үчүн ENB деп аталган 1 санариптик чыгаруу аркылуу ылдамдык

Мен Arduino менен төмөнкү пин чыгарууну тандадым:

сол мотор: IN1 3 -пин, IN2 -пин 4, ENA 2 -пин

оң мотор: 5 пин IN3, 6 пин IN4, 7 пин ENB

5V жөндөгүч

L298N адатта 5В менен камсыз кыла алса дагы, мен дагы эле кичинекей жөндөгүчтү кошом. Бул VIN порту жана моторлордогу 2 коддогуч аркылуу Arduinoго күч берет. Сиз түздөн-түз камтылган L298N 5V жөндөгүчтү колдонуу менен бул кадамды өткөрүп жибере аласыз.

JST туташтыргычтары жана Encoder pin-out

4 казык аял JST-XH туташтыргыч адаптерлерин колдонуңуз, ар бир туташтыргыч андан кийин байланышкан:

• 5V жөнгө салгычтан
• Жер
• эки санариптик кирүү порту (мисалы: оң коддогуч үчүн 34 жана 38 жана сол үчүн 26 жана 30)

Кошумча I2C

Сиз байкагандай, прото тактасында кошумча 4pin JST туташтыргычы бар. Бул IMU сыяктуу I2C түзмөгүн туташтыруу үчүн колдонулат, сиз дагы ошону жасай аласыз, ал тургай өз портуңузду кошо аласыз.

5 -кадам: Motor Group жана Arduino төмөнкү катмарында

Мотор блокторун бекитүү

Төмөнкү катмар 8 Turtlebotтун плиталары менен чогулганда, мотор блокторун кармоо үчүн жөн эле 4 M3 бурамасын колдонуңуз. Андан кийин сиз мотордун электр зымдарын L298N чыгууларына жана мурда жасалган кабелдерди протоколдун JST туташтыргычтарына туташтырсаңыз болот.

Күч бөлүштүрүү

Электр энергиясын бөлүштүрүү жөн эле тоскоолдук терминалы менен ишке ашат. Тосмонун бир жагында LiPo батарейкасына туташуу үчүн XT60 урнасы бар кабель сайылган. Экинчи тарапта, мурда сойулган эки LED/switch кабели бузулган. Ошентип, ар бир схема (Мотор жана Arduino) өзүнүн которгучу жана тиешелүү жашыл LED менен иштетилиши мүмкүн.

Кабелдик башкаруу

Тез эле көптөгөн кабелдер менен күрөшүүгө туура келет! Баш аламандыкты азайтуу үчүн, мурда 3D басып чыгарылган "таблицаны" колдоно аласыз. Үстөлдүн үстүндө, электрондук плиталарыңызды эки тараптуу лента менен кармап туруңуз, столдун астында зымдар эркин агып турсун.

Батарея сактоо

Роботту айдап баратканда батареяны чыгарбоо үчүн, жөн гана чачтын ийкемдүү боосун колдонсоңуз болот.

Roller caster

Чынында ролик эмес, бирок төмөнкү катмардагы 4 бурамалар менен бекитилген жөнөкөй жарым сфера. Бул роботтун туруктуулугун камсыз кылуу үчүн жетиштүү.

6 -кадам: Жогорку катмардагы бирдиктүү компьютер жана сенсорлор

Кайсы бир такталуу компьютерди тандоо керек?

Мен сизге атактуу Raspberry Pi менен тааныштыруунун кажети жок, анын колдонуу учурлары робототехника талаасынан көп. Бирок Raspberry Pi үчүн алда канча күчтүү атаандаш бар, сиз көңүл бурбай коюңуз. Чынында Nvidiaдан келген Jetson Nano процессоруна кошумча 128 ядролук күчтүү графикалык картаны камтыйт. Бул графикалык карта сүрөттү иштетүү же нейрон тармагынын чыгарылышы сыяктуу эсептөөчү кымбат тапшырмаларды тездетүү үчүн иштелип чыккан.

Бул долбоор үчүн мен Jetson Nano тандадым жана тиркелген файлдардын арасынан тиешелүү 3D бөлүгүн таба аласыз, бирок эгер сиз Raspberry Pi менен баргыңыз келсе, бул жерде көптөгөн басып чыгарылган учурлар бар.

5V жөндөгүч

Кандай такта болбосун, сиз роботту алып келүүнү чечтиңиз, сизге 5В жөндөгүч керек. Акыркы Raspberry Pi 4 үчүн 1.25A максимум талап кылынат, бирок Jetson Nano 3А чейин стресске муктаж, ошондуктан мен Pololu 5V 6Aны келечектеги компоненттердин (сенсорлор, жарыктар, тепкичтер …) кубаттуулугу үчүн тандап алдым, бирок 5V 2A арзан болушу керек. жумуш. Jetson 5.5мм DC баррелин жана Пи микро USB колдонуп, тиешелүү кабелди кармап, жөнгө салгычка чыгарыңыз.

LIDAR макети

Бул жерде колдонулган LIDAR LDS-01, RPLidar A1/A2/A3, YDLidar X4/G4 же ал тургай Hokuyo LIDARs сыяктуу колдонулушу мүмкүн болгон башка 2D LIDAR бар. Жалгыз талап - бул USB аркылуу туташтырылып, структуранын жогору жагына жайгаштырылышы керек. Чындыгында, эгер LIDAR жакшы борборлоштурулбаса, SLAM алгоритми тарабынан түзүлгөн карта дубалдардын жана тоскоолдуктардын болжолдуу ордун чыныгы абалынан жылдырышы мүмкүн. Ошондой эле, эгер роботтун кандайдыр бир тоскоолдуктары лазердик нурдан өтүп кетсе, анда ал диапазонду жана көрүү талаасын азайтат.

LIDAR монтаждоо

LIDAR анын формасына ылайык келген 3D басып чыгарылган бөлүккө орнотулган, бөлүк өзү тик бурчтуу пластинкада (чындыгында сүрөттөгү фанерада, бирок 3D басып чыгарылышы мүмкүн). Андан кийин адаптер бөлүгү ансамблди нейлон аралыгы бар ташбаканын үстүңкү табагына бекитүүгө мүмкүндүк берет.

Камера кошумча сенсор же LIDAR алмаштыруу катары

Эгерде сиз LIDARга өтө көп акча короткуңуз келбесе (баасы 100 доллардын тегерегинде), камерага кайрылыңыз: бир гана ROC камерасы менен иштеген SLAM алгоритмдери бар. SBC экөө тең USB же CSI камерасын кабыл алышат.

Мындан тышкары, камера сизге компьютердин көрүнүшүн жана объекттерди аныктоо сценарийлерин иштетүүгө мүмкүнчүлүк берет!

Ассамблея

Роботту жабуудан мурун кабелдерди үстүңкү плитанын чоңураак тешиктеринен өткөрүңүз:

• 5V жөндөгүчтөн сиздин SBCге тиешелүү кабель
• USB кабели Arduino DUE программалоо портунан (DC баррелине эң жакын) сиздин SBC USB портуна

Андан кийин жогорку плитаны ондогон бурамалар менен кармап туруңуз. Сиздин робот азыр программалоого даяр, МЫКТЫ!

7 -кадам: Аны кыймылга келтир

Arduino түзүңүз

Сүйүктүү Arduino IDEди ачыңыз жана own_turtlebot_core деп аталган долбоор папкасын импорттоңуз, андан кийин тактаңызды жана тиешелүү портту тандаңыз, бул эң сонун үйрөткүчкө кайрылсаңыз болот.

Негизги жөндөөлөрдү тууралаңыз

Долбоор эки файлдан турат жана бирөө роботко ылайыкташтырылышы керек. Ошентип, own_turtlebot_config.h ачып, кайсы сызыктар биздин көңүл бурууну талап кыларын билип алалы:

#define ARDUINO_DUE // ** АКЫСЫН КОЛДОНБОСОҢУЗ БУЛ САТРАГА КОММЕНТАРИЙ **

Сызыкка комментарий берилбесе, Arduino DUE менен гана колдонулушу керек.

#аныктоо RATE_CONTROLLER_KP 130.0 // ** БУЛ БААЛЫКТЫ ТУНЕГИЛЕ **

#аныктоо RATE_CONTROLLER_KD 5000000000000.0 // ** БУЛ БААЛЫКТЫ ТУН *

Бул 3 параметр керектүү ылдамдыкты кармоо үчүн PID тарабынан колдонулган ылдамдыкты текшерүүчү кирешелерге туура келет. Батареянын чыңалуусуна, роботтун массасына, дөңгөлөктүн диаметри менен моторуңуздун механикалык тишине жараша, алардын баалуулуктарын ыңгайлаштырышыңыз керек болот. PID - бул классикалык контролер, жана сиз бул жерде кеңири маалыматка ээ болбойсуз, бирок бул шилтеме сизге өзүңүздү тууралоо үчүн жетиштүү салымдарды бериши керек.

/ * Пиндерди аныктоо */

// мотор А (оңдо) const байт motorRightEncoderPinA = 38; // ** PIN NB МЕНЕН ОҢДОТУУ ** const байт motorRightEncoderPinB = 34; // ** ПИН ПИНИҢИЗ МЕНЕН ӨЗГӨРТҮҮ ** const байт enMotorRight = 2; // ** ПИН ПИНИҢИЗ МЕНЕН ӨЗГӨРТҮҮ ** const байт in1MotorRight = 4; // ** ПИН ПИНИҢИЗ МЕНЕН ӨЗГӨРТҮҮ ** const byte in2MotorRight = 3; // ** ПИН ПИНИҢИЗ МЕНЕН ӨЗГӨРТҮҮ ** // мотор B (сол) const байт motorLeftEncoderPinA = 26; // ** ПИН ПИНИҢИЗ МЕНЕН ӨЗГӨРТҮҮ ** const байт motorLeftEncoderPinB = 30; // ** PIN NB МЕНЕН ОҢДОТУУ ** const байт enMotorLeft = 7; // ** ПИН ПИНИҢИЗ МЕНЕН ӨЗГӨРТҮҮ ** const байт in1MotorLeft = 6; // ** PIN NB МЕНЕН ОҢДОТУУ ** const byte in2MotorLeft = 5; // ** ПИН ПИНГИҢИЗ МЕНЕН ӨЗГӨРТҮҮ **

Бул блок L298N менен Arduino ортосундагы түйүндү аныктайт, жөн гана пин номерин өзүңүзгө дал келтирүү үчүн өзгөртүңүз. Конфигурация файлын бүтүргөнүңүздөн кийин, кодду түзүңүз жана жүктөңүз!

ROSту орнотуу жана конфигурациялоо

Бул кадамга жеткенден кийин, көрсөтмөлөр TurtleBot3тун эң сонун көрсөтмөсүндө жазылган менен бирдей, сиз кылдаттык менен аткарышыңыз керек.

Молодец TurtleBot 3 азыр сиздики жана сиз ROS менен болгон бардык пакеттерди жана окуу куралдарын иштете аласыз.

Макул, бирок ROS деген эмне?

ROS роботтордун иштөө тутумун билдирет, бул башында бир топ татаал көрүнүшү мүмкүн, бирок андай эмес, жөн гана аппараттык (сенсорлор жана кыймылдаткычтар) менен программалык камсыздоонун (навигация, башкаруу, компьютердин көрүү алгоритмдери) ортосундагы байланышты элестетип көрүңүз. Мисалы, сиз учурдагы LIDARди башка моделге оңой эле алмаштыра аласыз, анткени ар бир LIDAR бир эле LaserScan билдирүүсүн жарыялайт. ROS робототехникада кеңири колдонулат.

Биринчи мисалыңызды иштетиңиз

ROSтун "салам дүйнөсү" эквиваленти алыскы компьютер аркылуу роботуңузду телеперациядан турат. Сиз эмне кылгыңыз келсе, моторлорду айландыруу үчүн ылдамдыктын буйруктарын жөнөтүү керек, буйруктар бул түтүктү ээрчийт:

• алыскы компьютерде иштеген turtlebot_teleop түйүнү, Twist билдирүүсүн камтыган "/cmd_vel" темасын жарыялайт
• бул билдирүү ROS билдирүүлөр тармагы аркылуу SBCге жөнөтүлөт
• сериялык түйүн "/cmd_vel" ды Arduinoдо кабыл алууга мүмкүндүк берет
• Arduino билдирүүнү окуйт жана роботтун каалаган сызыктуу жана бурчтук ылдамдыгына дал келүү үчүн ар бир мотордун бурчтук ылдамдыгын орнотот

Бул операция жөнөкөй жана жогоруда саналып өткөн буйрук саптарын иштетүү аркылуу ишке ашат! Кененирээк маалымат алгыңыз келсе, жөн гана видеону көрүңүз.

[SBC]

roscore

[SBC]

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

[Алыскы компьютер]

экспорт TURTLEBOT3_MODEL = $ {TB3_MODEL}

roslaunch turtlebot3_teleop turtlebot3_teleop_key.launch

Андан ары кетүү үчүн

Бул буйрукка туш болгондо, бардык расмий мисалдарды колдонуудан мурун, акыркы нерсени билишиңиз керек:

roslaunch turtlebot3_bringup turtlebot3_robot.launch

анын ордуна SBCде бул буйрукту иштетүү керек:

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

Эгерде сизде LIDAR бар болсо, SBCдеги байланышкан буйрукту аткарыңыз, менин учурда мен LDS01ди төмөнкү сызык менен иштетем:

roslaunch hls_lfcd_lds_driver hlds_laser.launch

Мунун баары, сиз өзүңүздүн таш бакаңызды түптөдүңүз:) Сиз ROSтун фантастикалык мүмкүнчүлүктөрүн ачууга, көрүнүштү жана машинаны үйрөнүү алгоритмдерин коддоого даярсыз.