Micromouse Micromouse Robot - robot typu micromouse

[Wirgiliusz]

Od dłuższego czasu chciałem stworzyć działającego robota Micromouse, a jednocześnie chciałem nauczyć się obsługiwać inne mikrokontrolery niż Arduino. Idealna okazja spełnienia obu tych rzeczy nadeszła gdy wszedłem w posiadanie płytki STM32F429I-DISC1.

Tak o to rozpocząłem projekt o zaskakującej nazwie "Micromouse Robot". 

 

KONSTRUKCJA ROBOTA 

Komponenty, które postanowiłem wykorzystać w robocie to:

• Mikrokontroler STM32F429I-DISC1
• Czujniki odległości (odbiciowe) skonstruowane z pary: dioda IR SFH4550 i fototranzystor SFH-313FA
• Silniki DC FIT0450 wraz z enkoderami magnetycznymi SJ01
• Sterownik silników L298N
• Moduł bluetooth HC-06
• Koła DFRobot

Na samym początku zaplanowałem ogólny schemat robota:

Na podstawie schematu ogólnego stworzyłem schemat elektroniczny przy użyciu programu KiCad:

Następnie przyszedł czas na zlutowanie potrzebnych układów, w pierwszej kolejności był to moduł z czujnikami - zdecydowałem się na prostopadłe rozstawienie czujników, dwie pary wykrywające przeszkody po bokach oraz dwie pary wykrywające ścianę na wprost dzięki czemu możliwe będzie wykorzystanie ich odczytów do korekcji orientacji robota (oba przednie czujniki powinny odczytywać tą samą odległość od ściany).

Dodatkowo zlutowałem pomocniczy układ z przełącznikiem i stabilizatorem step-down (gdyż zasilanie, którego użyłem dochodziło do 8V przy pełnym naładowaniu, a płytka potrzebowała 5V). Dzięki niemu miałem łatwy dostęp do pinów 5V lub 8V w zależności od potrzeby:

W celu sprawdzenia działania stworzonego modułu czujników wykonałem testy przy użyciu programu STMStudio, które pozwoliło na łatwą wizualizację odczytów mikrokontrolera. Przeprowadzone testy potwierdziły poprawne działanie każdego z 4 czujników (niższa wartość oznacza przewodzenie fototranzystora w diodzie odbiorczej, tym samym sygnalizując, odbiór światła wysłanego przez diodę IR i odbitego od białej ściany - w skrócie, wykrycie przeszkody przez dany czujnik):

Niestety w tym momencie okazało się, że pomieszczenie wszystkich elementów wraz z utrzymaniem sensownych rozmiarów robota będzie niemożliwe, dlatego po wykonaniu wielu pomiarów powstał model 3D przyszłej konstrukcji, na którego podstawie stworzona została rzeczywista konstrukcja stworzona z wyciętej płyty ebonitowej oraz drucianych podpór:

Jak widać dzięki wymyślnej konstrukcji udało się pomieścić wszystkie elementy. Nadszedł czas na programowanie.

 

OPROGRAMOWANIE ROBOTA

Ze względu, że użyta płytka należała do rodziny STM32 to do pomocy w programowaniu użyłem środowiska STM32CubeIDE. Ponieważ jak już pisałem, była to moja pierwsza styczność z płytką inną niż Arduino, to bardzo pomocny okazał się Kurs STM32 F4 ze strony Forbota. Końcowo wykorzystałem: 4 piny ADC w celu odczytywania wartości z czujników odległości, 2 piny PWM w trybie countera w celu odczytywania wartości z enkoderów silników, 4 piny PWM do sterowania silnikami, oraz 2 piny USART w celu komunikacji z modułem bluetooth.

Schemat blokowy przyszłego programu robota wygląda następująco:

W tym momencie głównym zadaniem stało się zaimplementowanie najważniejszych funkcji, czyli: przeszukania labiryntu, znalezienia najkrótszej ścieżki i jej przejechania. Również w tym przypadku Forbot nie zawiódł i poratował mnie artykułem Roboty MicroMouse – 5 metod przeszukiwania labiryntu. To właśnie on skłonił mnie do wykorzystania metody propagacji fali. Wzorując się na przykładach z artykułu udało mi się stworzyć własną wersję algorytmu.

W międzyczasie stworzyłem funkcje odpowiedzialne za ruch robota w przestrzeni. Odpowiednie przechowywanie aktualnej pozycji (x, y) oraz orientacji robota (północ, południe, zachód, wschód) pozwoliło na proste zaimplementowanie funkcji typu jedz(kierunek), która pozwalała na nawigację po labiryncie jak gdybyśmy patrzyli na niego z góry i zadawali, w którym kierunku ma przemieścić się robot. 

Dzięki temu możliwe stało się stworzenie symulacji, która pozwalałaby na przetestowanie działania zaimplementowanego algorytmu i funkcji ruchu. Tak też zrobiłem:

Jak widać funkcje ruchu pozwalają na przemieszczanie się po poszczególnych polach labiryntu, natomiast algorytm bez problemu znajduje najkrótszą ścieżkę do celu.

Przyszedł czas na rzeczywiste testy. W tym celu używając wyciętych kartonów oraz białych kartek A4 złożyłem własny labirynt (na zdjęciu jeszcze bez kartek), niestety ze względu na ograniczoną przestrzeń składał się on tylko z 4x4 pól, jednak nie był to zbyt duży problem, gdyż algorytm zdołał już udowodnić symulacyjnie, że działa także dla pełnowymiarowego labiryntu.

Kolejnym wyzwaniem było zaprogramowanie ruchu robota po labiryncie. Z pomocą przyszły enkodery silników oraz czujniki na podstawie których napisałem proste regulatory PD. Pierwszy z nich używając enkoderów gwarantuje, że dystans pokonany przez oba silniki jest stały, natomiast drugi używający czujników zapewnia równy odstęp robota od wszystkich ścian labiryntu. Ich połączenie zapewnia sprawne przemieszczanie się robota po kolejnych polach labiryntu.

 

PODSUMOWANIE

Ostatecznemu wynikowi daleko do idealnych. Robot jest dosyć powolny i czasami gubi trasę - myślę, że jest to spowodowane w pewnym stopni jego wagą i wielkością użytych silników, co w połączeniu skutkuje brakiem możliwości wykonywania małych i precyzyjnych ruchów. Dodatkowo brakuje tu wielu usprawnień funkcji ruchu, np. nie zatrzymywanie się na każdym polu jeśli jedziemy prosto kilka razy z rządu.

Pomimo to myślę, że robot wcale nie wypada tak źle jak na pierwszy tak duży projekt, przecież jednak jeździ i ma się dobrze. Dodatkowo ilości nowej wiedzy którą zdobyłem podczas jego tworzenia nie da się zastąpić. Ogólnie jestem zadowolony z efektu oraz całego projektu, jednak także świadomy jego niedoskonałości i możliwości poprawy w miarę zdobycia nowej wiedzy. 

Efekt końcowy (przeszukiwanie labiryntu oraz przejazd najkrótszą ścieżką przyspieszone prawie 5-krotnie) można obejrzeć na filmiku:

 

 

 

Edytowano Październik 24, 2020 przez Wirgiliusz
Poprawka w tytule

[Treker (Damian Szymański)]

@Wirgiliusz witam na forum i gratuluję ciekawej konstrukcji - opis został opublikowany, więc jest już publicznie widoczny

[wn2001]

@Wirgiliusz Ale fajny robot, gratuluję  - naprawdę robi wrażenie

Napiszesz coś więcej o wyświetlaczu z płytki Discovery i jak poradziłeś sobie z jego obsługą?

[Wirgiliusz]

9 godzin temu, wn2001 napisał:

Napiszesz coś więcej o wyświetlaczu z płytki Discovery i jak poradziłeś sobie z jego obsługą?

Niedługo mam zamiar napisać kolejny opis projektu, który tym razem skupi się właśnie na wykorzystaniu tego wyświetlacza (+ jeszcze bonus  ). Podlinkuje tutaj gdy będzie gotowy.

[Wirgiliusz]

Zgodnie z zapowiedzią tutaj link do projektu, który wykorzystuje LCD oraz wizualizację: