Line follower Linefollower RoChN 4

[paor]

RoChN 4 to robot typu linefollower, kolejny z serii Robotów o Chwytliwych Nazwach.

Jest to konstrukcja w dużej mierze eksperymentalna, stworzona w celu przetestowania nowych pomysłów i komponentów. Wyniki nie były priorytetem, ale robot radzi sobie całkiem nieźle. Prawdopodobnie należy do kilku najlepszych, startujących na zawodach, linefollowerów w Polsce. Rozwijamy go razem z Pojemnikiem od ponad roku, w czasie wolnym między "przygotowaniami" do matury i jesteśmy zadowoleni z osiągniętych efektów.

Historia powstania:

Po zajęciu kolejnego czwartego miejsca RoChNem 3 uznaliśmy, że osiągnął on już szczyt swoich możliwości i trzeba zbudować coś nowego, aby wreszcie wskoczyć na podium. Początkowa “lista życzeń” wyglądała następująco:

• STM32
• enkodery
• IMU

Chcieliśmy też lepiej zaprojektować sekcję zasilania, żeby uniknąć losowych resetów procesora które zdarzały się poprzednikowi.

W ciągu kilku tygodni stworzyliśmy projekt mocno inspirowany Fuzzym. Już wysyłaliśmy zamówienie, gdy odkryliśmy w projekcie poważny błąd. Jego naprawienie wymagałoby zaprojektowania całej płytki od nowa, więc schemat poszedł do kosza. W tym samym czasie na forum pojawił się opis Cukiereczka, który okazał się kopalnią wiedzy o linefollowerach. Uznaliśmy wtedy, że trzeba się inspirować najlepszymi i od tego czasu pomysł na RoChNa 4 był już inny. Postanowiliśmy w jednym robocie zamontować możliwie dużo “wodotrysków” i sprawdzić, które z nich dają tak dużą przewagę podczas zawodów. Dla upamiętnienia niedokończonego poprzednika oficjalny numer umieszczony na płytce ukończonego robota to 4.1.

Jako, że jest to konstrukcja eksperymentalna, postawiliśmy na modułowość. Sterowniki silników, enkodery i moduł bluetooth umieszczone zostały na dodatkowych płytkach przylutowanych w pionie do głównego PCB. Dzięki temu rozwiązaniu byliśmy w stanie wygodnie wymieniać i przeprojektowywać peryferia, co bardzo się przydało podczas usuwania błędów konstrukcyjnych.

MECHANIKA

Kolory:

Jak wiadomo ładne roboty szybciej jeżdżą^{[potrzebny przypis]}. Dlatego od początku planowaliśmy jak będzie wyglądał nasz linefollower. Postanowiliśmy wzorować się na bolidach Formuły 1, w końcu są one dosyć szybkie. Mieliśmy już zamówione pionowe płytki w zielonym kolorze, więc ilość bolidów zawęziła się do malowania Force India z 2011 roku. Zdjęcie Cukiereczka jako robota, na którym się wzorowaliśmy, przemalowaliśmy w Paint-cie, żeby zobaczyć, jak będzie wyglądać. Na (nie)szczęście zielone płytki okazały się grubości 2mm, co dyskwalifikowało je z wykorzystania w robocie, więc mając wolny wybór zdecydowaliśmy się na żółto-czarną kolorystykę Renault. Ostatecznie jesteśmy całkiem zadowoleni z tego jak prezentuje się nasz robot.

Podwozie:

Robot składa się z dwóch płytek PCB połączonych taśmą FFC (raster 0,5mm, 24 piny) oraz dwiema listewkami. Próbowaliśmy je zrobić z włókna węglowego, ale okazało się, że nie umiemy wywiercić w nim otworów domowymi sposobami. Zamówiliśmy też listewki plastikowe, ale były tak miękkie, że na zakręcie przednia płytka mogłaby uderzać o tylną. Gdybyśmy kupili je z twardszego materiału, może zaoszczędzilibyśmy kilka gram na masie robota, ale aktualnie jesteśmy zadowoleni z aluminiowych. Z tyłu nie mogło zabraknąć listewki ochraniającej robota przed obróceniem podczas ruszania. Całkowita masa wynosi 62 gramy (73 z akumulatorem). Taśma FFC poza obsługą 14 czujników koloru i 3 żył z zasilaniem, posiada 7 żył, na których zależnie od użytych czujników odległości można wyprowadzić 2xI2C, SPI, jeden pin ADC, lub po prostu użyć ich jako GPIO.

Napęd:

Dwa standardowe silniki Pololu 10:1 z obustronnym wałem i węglowymi szczotkami jak zawsze spisują się bardzo dobrze, choć słychać już powoli ich zużycie (to już drugi komplet). Powoli osiągamy koniec ich możliwości, więc kolejna konstrukcja będzie pewnie używać czegoś innego. Zastosowaliśmy przedłużone mocowania, aby szerokość płytki nie przekraczała 10 cm i zamontowaliśmy od dołu zaślepki osłaniające przekładnie przed kurzem, który czasem w nie wpadał.

Koła i opony:

Początkowo robot jeździł na felgach toczonych w aluminium. Teraz ma dwa razy lżejsze wydrukowane na drukarce 3D, ale za to lekko bijące (musieliśmy rozwiercić otwór na wał, co nie wyszło idealnie). Kiedyś próbowaliśmy odlewania oponek z silikonu - miały podobną przyczepność, ale zużywały się dużo szybciej od Mini-Z, więc używamy tych drugich.

ELEKTRONIKA

PCB:

Zdecydowaliśmy się na czterowarstwową płytkę, bo już podczas projektowania poprzedniego linefollowera mieliśmy problemy z optymalnym doprowadzeniem zasilania. Na głównej płytce jedna warstwa to wyłącznie masa, jedna zajmuje się zasilaniem, a dwie zewnętrzne wszystkimi sygnałami. Przednia płytka z czujnikami również jest czterowarstwowa, tam sygnały schowaliśmy do środka, aby zmniejszyć szumy na sygnałach analogowych. Mniejsze, żółte płytki są dwuwarstwowe. Zdecydowaliśmy się na elementy pasywne w obudowach 0402 - najmniejszych, które można wygodnie ręcznie polutować. W poprzedniej konstrukcji elementy w 0805 zajmowały dużo miejsca dlatego wybraliśmy mniejszy standard.

Mikrokontroler:

Pierwsza, porzucona wersja RoChNa 4 wykorzystywała STM32F1. Ostatecznie po przeanalizowaniu opisu Cukiereczka zdecydowaliśmy się na serię F7. W robocie zastosowaliśmy STM32F745VET6 w obudowie LQFP-100. Stu-pinowa obudowa okazała się niezbędna przy tylu elementach zastosowanych w robocie - tylko 5 pinów pozostało wolnych. Układ taktowany jest rezonatorem kwarcowym 8MHz, którego sygnał umożliwia stabilną pracę procesora na 216 MHz. Do programowania korzystamy z interfejsu SWD i odłamanego programatora ST-LINK z płytki Nucleo. Nie planowaliśmy programowania przez USB, choć gdyby udało się je uruchomić, to prawdopodobnie byśmy spróbowali. Zapas mocy obliczeniowej okazał się bardzo przydatny przy testowaniu najdziwniejszych rozwiązań.

Czujniki linii:

Użyliśmy standardowych elementów KTIR0711S. Rozmieszczone są w dość wąski (8,5 cm szerokości) łuk. Ponieważ nasz STM miał 16 pinów z ADC, a chcieliśmy także mierzyć stan baterii i mieć możliwość zamontowania analogowego czujnika odległości do wykrywania przeszkód, zdecydowaliśmy się na 14 sztuk. Odpowiedni dystans od podłoża zapewniają cztery rezystory w obudowach ¼ watta.

Sterowniki silników:

Po rozmowach z autorem Cukiereczka doszliśmy do wniosku, że sterowniki TB6612 mogą nie wytrzymać nagłych szarpnięć silnikami, więc wybraliśmy mostek H VNH7013 (40A prądu stałego) oraz układ DRV8703 sterujący takim mostkiem. Zestaw mógł sterować tylko jednym silnikiem, więc musieliśmy zamontować takie dwa w robocie. Jednak intuicja podpowiedziała nam, że coś może nie zadziałać, więc zamontowaliśmy je na osobnych, żółtych, pionowych płytkach, abyśmy mogli ewentualnie wymienić je na TB6612. Podczas testów udało nam się raz zakręcić silnikiem i dwa razy spalić mostek, więc ostatecznie robot jeździ na 4 starych sterownikach. Daje to 4,8A ciągłego poboru prądu przez silnik (12,8 w piku (♠)). Nie stosujemy żadnych opóźnień w celu oszczędzania tych układów i nie zostały one jeszcze uszkodzone (a przeżyły już wiele dziwnych manewrów), więc rozwiązanie choć mało profesjonalne okazało się skuteczne.

Enkodery:

Wybraliśmy enkodery magnetyczne AS5134 z uwagi na dużą szybkość kolejnych odczytów położenia magnesu, możliwość komunikacji po SPI do 6MHz i łatwą dostępność. Początkowo błędnie zasilaliśmy je napięciem 3,3V (układ potrzebuje co najmniej 4,5V), więc musieliśmy przeprojektować ich płytki (tu znowu pomogła nam modułowość projektu). Na prawej płytce umieściliśmy jedyny w robocie stabilizator na 5V i przewodem doprowadziliśmy zasilanie do lewej. Napięcia sygnałów z enkodera do STM-a (5V->3,3V) są dzielone dwoma rezystorami, a w drugą stronę (3,3V->5V) wzmacniane układem MOSFET-a i dwóch rezystorów.

Chcieliśmy zastosować 6-biegunowe magnesy firmy Pololu, jednak enkoder zadziałał dopiero gdy użyliśmy pierścieniowe magnesy neodymowe namagnesowane po średnicy. Ustawienie magnesu i czujnika Halla w idealnej osi znacznie zwiększyło dokładność odczytów. Pomiary wykonujemy z częstotliwością 2 kHz. Zmiana kąta między odczytami wynosi zwykle 20-80 stopni, więc niedokładność pomiarów ±2 stopnie nie wpływa za bardzo na stabilność algorytmu sterującego silnikami.

Bluetooth:

Tu bez żadnych szaleństw. HC-05 spełnia swoją funkcję zadowalająco. Rozglądaliśmy się za czymś innym, ale nie znaleźliśmy rozsądnej alternatywy. Brakowało nam miejsca na głównej płytce robota, dlatego został on umieszczony na osobnej pionowej. Planowaliśmy wpinanie go na złączach goldpin, aby była możliwość wyjmowania go na przejazdy finałowe (mniejsza masa itd). Mieliśmy problemy z tym złączem. Wstrząsy podczas jazdy powodowały krótkie utraty zasilania podczas jazdy, co skutkowało zerwaniem połączenia i uniemożliwiało zatrzymania robota. Przylutowanie dwóch przewodów rozwiązało problem.

Zasilanie:

Dalej stosujemy akumulatory li-po Dualsky 2S, 150-250 mAh, te same co w Rochnie 3. Montujemy je do robota na rzep i przytrzymujemy kawałkiem drutu, aby się nie kołysały na boki. Mamy 7 akumulatorów oraz jedną ładowarkę na dwa linefollowery, więc podczas zawodów ledwo nadążamy z ich ładowaniem. Robot pożera naprawdę dużo prądu, dlatego wiele układów usypiamy lub odłączamy od zasilania (usypiając stabilizatory) kiedy robot akurat nie jedzie (patrz tabelka, nie uwzględniono prądu pobieranego przez silniki).

IMU:

Czujnik przestrzeni miał docelowo pomagać w zapamiętywaniu trasy i niwelowaniu poślizgu podczas pokonywaniu zakrętów. Użyliśmy układu LSM6DSM i przylutowaliśmy go bezpośrednio do głównej płytki. Pomimo tego, że podczas testów statycznych układ działa bez zarzutu (1g pojawia się w odpowiednim kierunku), to podczas jazdy wyłapywane są wszystkie wstrząsy i drgania, co uniemożliwia wykorzystanie danych w jakimkolwiek celu nawet po przefiltrowaniu.

Czyszczenie kółek podczas jazdy:

Przetestowaliśmy system umożliwiający czyszczenie kółek w trakcie przejazdu w celu minimalizacji wpływu przyklejającego się brudu. Rolkę do zbierania kurzu przymocowaliśmy do stelarzu wydrukowanego na drukarce 3D. System działał, ale stawiał bardzo duży opór, co znacząco zmniejszało osiągi robota, utrudniając nawet ruszenie z miejsca.

Niewykorzystane bajery:

    Karta SD - Docelowo miała być użyta jako magazyn danych na temat trasy oraz aktualnej konfiguracji robota. Niestety nie udało nam się jej uruchomić poza odczytaniem informacji o danej karcie. Ostatecznie jako magazyn danych użyta została część niewykorzystanej pamięci FLASH. 

    USB - Miało służyć do szybkiego wymieniania dużych ilości informacji pomiędzy robotem, a komputerem. Z nieznanych nam przyczyn nie udało nam się skłonić go do działania. Dane z robota wysyłamy albo przez Bluetooth albo zczytujemy całą pamięć FLASH programatorem.

    EEPROM - Został dodany na osobnej płytce, aby łatwiej zapisywać dane konfiguracyjne. Okazał się jednak nie być niezbędny, i zapisujemy te dane na kilku ostatnich bajtach pamięci.

SOFTWARE

Program został napisany w C z użyciem bibliotek HAL. Nigdy nie robiliśmy żadnego większego projektu na STM32, więc trzeba było nauczyć się wielu rzeczy. Algorytm podążania za linią składa się z głównego regulatora, który na podstawie odczytów z czujników linii zadaje prędkość obrotową dwóm regulatorom PD, które sterują prędkością kół. Dużą część programu zajmuje kod obsługujący komunikację przez bluetooth. Praktycznie wszystkie istotne zmienne można zmieniać zdalnie, istnieje także możliwość podglądu odczytów z czujników linii i innych danych w czasie rzeczywistym. Robot zapamiętuje cześć swojej konfiguracji w pamięci FLASH. Na potrzeby kalibracji i sprawdzania różnych rzeczy powstało kilka mniejszych programów na komputer. Głównie generują wykresy na podstawie danych z robota.

Zapamiętywanie trasy:

Od początku planowaliśmy zapamiętywać trasę przejazdu. Po kilku tygodniach prób i błędów udało się zrobić program, który działał na krótkich trasach. Niestety na długich się gubił. Uznaliśmy, że bez doświadczenia, wiedzy teoretycznej i pewnie dokładniejszych czujników nie będziemy w stanie zrobić lepszego algorytmu. Poniżej screenshot z programu wizualizującego zapamiętaną trasę.

Usprawnienia sterowania:

Robot ma kilka różnych sposobów aktywacji dodatkowego hamowania na zakrętach aby z nich nie wypadać. Uwzględnia też podczas pokonywania trasy różnego rodzaju przypadki szczególne np. kąty ostre ("teoretycznie" niemożliwe) i skrzyżowania. Na każdych zawodach sprawdzamy, jaka kombinacja ustawień zadziała najlepiej, choć mamy kilka optymalnych ustawień.

PODSUMOWANIE

Robot w pełni spełnił swoje zadanie, czyli przetestowanie nowej rodziny procesorów, enkoderów, IMU i zapamiętywania trasy, a wyniki są lepsze niż się spodziewaliśmy. Niestety z powodu epidemii ilość zawodów, w których mógł wystartować została mocno ograniczona.

Projekt dalej jest rozwijany i wdrażamy kolejne ciekawe rozwiązania, które opiszemy, jeżeli sprawdzą się na zawodach.

Osiągnięcia:

III miejsce Robocomp 2019

IV miejsce Sumo Challenge 2019

II miejsce Robotic Arena 2020

Filmy z zawodów:

[Treker (Damian Szymański)]

@paor dzięki za opis kolejnego ciekawego robota  Bardzo fajny projekt, świetny pomysł z tym czyszczeniem kółek - ciekawy eksperyment!

[KHX]

Bardzo ciekawy projekt, wiele można się nauczyć :D. 

[Nano_Developer]

Bardzo fajny pomysł, świetny projekt. Można dowiedzieć się kilku ciekawych rzeczy z artykułu

[Leoneq]

Genialna konstrukcja  

[joseph20480]

Dear everyone,

I'm currently design my own line follower and yours développements inspire me.
I have a question about motor driver. Two mode exist when it used by PWM:

> Brack / Forward 
> Coast / Forward

I can't do my choice... do you have an advice ?