Cześć wszystkim
Zauważyłem że ostatnio nie pojawia się zbyt dużo nowych konstrukcji jeśli chodzi o linefollowery, dlatego chciałbym opisać swoją Nie jest to raczej nic odkrywczego – podobne projekty pojawiały się w przeszłości na tym forum, jednak mimo to podzielę się swoim i może zachęcę osoby które chciałby wykonać podobną konstrukcję i zacząć swoją przygodę z elektroniką, programowaniem bądź robotyką.
Cały projekt udostępniłem publicznie na GitHubie, więc jeśli ktoś jest zainteresowany, zachęcam do zapoznania się z nim.
Nie przedłużając, Linefollower Kwark jest moją drugą konstrukcją. Pierwszą, jakiś czas temu (sam nie pamiętam 6-7lat?) wykonałem jeszcze na 8bitowcu - Atmega32. Obecny projekt jest dosyć świeży, w zasadzie kilkanaście dni temu robot zaczął poruszać się po linii. Pracę nad nim zacząłem końcem sierpnia tego roku i wszystko znajduję się w fazie testów. Linefollower jeszcze nie brał udziału w żadnych zawodach.
Krótki filmik pokazowy, wraz z przejazdem udostępniłem na YouTubie.
KONSTRUKCJA MECHANICZNA
Podwozie
Podwozie robota składa się z dwóch płytek PCB połączonych za pomocą dwóch wąskich listew węglowych oraz taśmy FFC. Na końcu głównej płytki zamontowana jest metalowa blaszka, wygięta w sposób zapobiegający podnoszeniu się robota podczas gwałtownego przyspieszania.
Jako ślizgacze zastosowałem materiał przypominający filc, choć nie jest to rozwiązanie idealne, materiał odkleja się podczas jazdy oraz wprowadza dodatkowy opór. Planuję zastąpić go czymś twardszym, np. przymocować lub wlutować rezystory THT.
Akumulator litowo-polimerowy 2S 7.4V (o pojemnościach od 120 mAh do 220 mAh) montowany jest do płytki PCB za pomocą gumek recepturek - nie miałem jeszcze problemów z takim rozwiązaniem. Najczęściej używam akumulatora 220 mAh podczas testów, a pozostałe akumulatory służą głównie jako zapas podczas ładowania. Do tej pory nie sprawdziłem, czy masa akumulatora wpływa na czas przejazdu robota, nie chciałem zajmować się tym na obecnym etapie projektu.
Napęd
Napęd robota stanowią dwa szczotkowe silniki HPCB 10:1 z obustronnym wałem, do montażu wykorzystałem mocowania Pololu wydrukowane na drukarce 3d. Do wałów silników zamontowałem magnesy neodymowe (⌀6 mm, wysokość 2,5 mm), namagnesowane wzdłuż średnicy. Zostały one przymocowane za pomocą uchwytów również wydrukowanych na drukarce 3D.
Koła wykonano z poliamidu, a opony pochodzą z modelu Mini-Z. Opony są jednak mocno zużyte (pozostałość po wcześniejszej konstrukcji), co negatywnie wpływa na trzymanie trasy. Planuję zakup nowych opon, prawdopodobnie również z modelu Mini-Z.
ELEKTRONIKA
Komponenty
Poniżej załączam ogólny schemat blokowy, opisujący sposób komunikacji poszczególnych elementów robota:
Mikrokontroler STM32F722
Wybrałem mikrokontroler STM32 oparty na rdzeniu ARM Cortex M7, taktowany zegarem 216 MHz. Jest wystarczająco wydajny, aby obsługiwać wszystkie obliczenia w rozsądnym czasie. W wyborze procesora nie ma się co ograniczać, projekt budujemy zazwyczaj w maksymalnie kilku sztukach więc cena nie gra tutaj roli. W przyszłości planuję zwiększyć częstotliwość wykonywanych pomiarów. Cortex-M7 umożliwia wykorzystanie pamięci cache oraz pamięci o niskiej latencji, ITCM i DTCM, co zapewnia spory zapas wydajności.
12 x Transoptory KTIR0711S
Chyba najbardziej popularna i sprawdzona opcja. Czujniki są rozmieszczone w szeregu, tworząc delikatny łuk. Wyjścia podłączono bezpośrednio do przetwornika ADC mikrokontrolera. Każdemu czujnikowi odpowiada przypisana dioda LED.
2 x Enkodery AMS AS5040
Enkodery magnetyczne pozwalają na precyzyjne pomiary prędkości silników. Informacje te są wykorzystywane w algorytmie PID, zapewniając zamkniętą pętlę sterowania. Dokonują pomiaru kąta z rozdzielczością 10 bitową. Do pomiaru impulsów wykorzystałem wyjście kwadraturowe.
2 x Mostek H Pololu TB6612FNG
Jeden mostek odpowiedzialny jest za sterowanie jednym silnikiem. Kanały mostka zostały scalone w celu zapewnienia większej wydajności prądowej. Zastosowałem je w poprzedniej konstrukcji i nie miałem z nimi problemu.
Moduł Bluetooth JDY-31
Tutaj mógłby być w zasadzie każdy moduł, który komunikuje się za pomocą magistrali UART. Moduł JDY-31 miałem pod ręką, ale mógłby być również popularny HC-05.
PCB
Wszystkie płytki PCB zaprojektowałem w programie KiCad w wersji 8. Mogę polecić ten program początkującym – sam nie jestem ekspertem w projektowaniu PCB, a mimo to udało się stworzyć płytki w stosunkowo prosty sposób. Podczas projektowania popełniłem dwa błędy. Pierwszym było błędne przypisanie sygnału z enkodera do pinu mikrokontrolera, co udało się naprawić za pomocą wlutowanego kynara. Drugi błąd to nieprawidłowa kolejności pinów w złączu Bluetooth - sposób naprawy jest widoczny na zdjęciach wyżej .
PCB zamawiałem w JLCPCB i byłem zaskoczony szybkością realizacji oraz wysyłki do Polski. Główna płytka jest czterowarstwowa. Początkowo płytka z sensorami również była czterowarstwowa. Podczas sprawdzania cen różnica między płytkami dwu- i czterowarstwowymi wydawała się niewielka. Niestety, przy składaniu zamówienia okazało się, że dla płytek przekraczających 10 cm różnica w cenie jest większa. W rezultacie zdecydowałem się przerobić płytkę z sensorami na dwuwarstwową, natomiast główną płytkę pozostawiłem w wersji czterowarstwowej.
Druga i trzecia warstwa głównej płytki stanowią masę, pierwsza to warstwa sygnałowa, a czwarta służy do sygnałów i zasilania. Jeśli chodzi o elementy pasywne, zdecydowałem się na rozmiar 0603 – są stosunkowo łatwe do lutowania i nie zajmują zbyt wiele miejsca na płytce.
Sensory ułożone są w delikatny łuk, kształt płytki skopiowałem z poprzedniego robota.
Dopełnieniem są dwie małe płytki, na których wlutowany jest sensor AMS AS5040.
OPROGRAMOWANIE
Kod na mikrokontroler został napisany w całości w języku C. Standardowo, do konfiguracji driverów użyłem programu STM32CubeMX. Do debuggowania kodu korzystałem z programu SEGGER Ozone. Oprócz standardowej aplikacji, przygotowałem projekt bootloadera oraz aplikację na PC, która została napisana w QT.
Główny algorytm
Sposób działania głównego kodu opiera się na sterowanej zdarzeniami maszynie stanów (ang. event driven state machine). Przetwarzanie zabranych danych oraz aktualizacja sygnału wyjściowego następuje w przypadku zakończenia konwersji ADC. Na ten moment jest to co 5ms. Oprócz standardowego algorytmu PID, dodałem między innymi wykrywanie kątów prostych, zwalnianie w przypadku niestabilności sensorów.
Do zapisu danych kalibracyjnych wykorzystałem jedną stronę pamięci FLASH, wszystkie istotne parametry można modyfikować za pomocą aplikacji. Dane są zabezpieczone za pomocą CRC, a w przypadku błędnej sumy kontrolnej wczytywane są dane domyślne.
Całość kodu starałem się ładnie podzielić na moduły, których opis jest dostępny tutaj.
Bootloader
Dzięki bootloaderowi nie musimy nawet podpinać programatora, gdy jest potrzeba aby coś szybko zaktualizować. Przesyłanie aplikacji następuje przez Bluetooth z wykorzystaniem mojego protokołu SCP. Do bootloadera możemy wejść dwiema metodami:
1. Poprzez wysłanie odpowiedniej komendy.
2. Poprzez backdoor tj. wysłanie odpowiedniej komendy podczas włączenia zasilania. Dzięki temu możemy zawsze zaktualizować oprogramowanie (możliwość wejścia do bootloadera, nawet jeżeli w aplikacji jest błąd przez który jednostka cały czas się resetuje).
Organizację pamięci FLASH przedstawiłem na zdjęciu poniżej:
Aplikacja QT (C++)
Aplikacja dostarcza graficzny interfejs, umożliwiający sterowanie, konfigurację oraz monitorowanie linefollowera. Główne funkcjonalności to:
Panel połączenia: Kontrola komunikacji przez Bluetooth.
Panel sterowania: Funkcje uruchamiania, zatrzymywania, resetowania i kalibracji robota. Oraz opcje takie jak: włączenie trybu debugowania, odczyt/zapis NVM, wyświetlanie danych w czasie rzeczywistym.
Panel sensorów: Aktualne wartości, wartości kalibracyjne oraz wagi przypisane do poszczególnych sensorów.
Panel konfiguracji: Ustawienie pozostałych parametrów znajdujących się w pamięci nieulotnej mikrkontrolera.
Wykresy prezentujące prędkości silników, błędy z sensorów.
Bootloader: Obsługa aktualizacji oprogramowania.
Logi
PODSUMOWANIE
Zbudowanie robota zajęło mi około 3 miesiące wykorzystując głównie wieczory po swojej pracy zawodowej.
Aby zwiększyć docelową prędkość poruszania się linefollowera wciąż potrzebne jest jeszcze sporo testów i być może zmian w algorytmie. Mam nadzieję tylko że motywacji nie zabraknie
