Tesla - kolejna próba budowy linefollowera po latach

[MasterYoda95]

[Przydługa osobista historia]

Będąc uczniem nieistniejących już gimnazjów, zapragnąłem dowiedzieć się, jak działa tranzystor. Artykuły na wikipedii niewiele mi tłumaczyły, dlatego sięgnąłem do archiwów Elportalu i zacząłem czytać stare artykuły z Elektroniki dla wszystkich". Było to dość trudne do zrozumienia, ale czytałem w kółko, aż coś załapałem. Próbowałem coś tam majstrować przy elektronice, ale moje zrozumienie tematu było słabe. Elektroniki cyfrowej nawet nie próbowałem, bo uważałem, że to "kolejny krok" po elektronice analogowej, a tej jeszcze nie ogarniam.

Przełomem była rada mojego wujka, który zasugerował mi, żebym spróbował, bo obwody są prostsze i nie wymagają tak wielu obliczeń. Spróbowałem, spodobało mi się i posiadając już pewną wiedzę, postanowiłem zbudować linefollowera. To był rok 2010, więc Arduino nie było jeszcze w powszechnym użyciu, więc oparłem swój projekt o Atmegę 8 zaprogramowaną w BASCOM. Projekt niestety upadł, ponieważ liczne problemy z elektroniką (pierwsza samodzielnie wytworzona płytka-podstawka do programatora szwankowała), mechaniką (problem z osadzeniem kół) i ograniczony budżet zniechęciły mnie do zabawy. Początki jednak wrzuciłem na to forum i o dziwo temat się zachował!

Potem porzuciłem trochę elektronikę i nauczyłem się podstaw programowania (Turbo Pascal :)), ale na studiach (niezwiązanych z elektroniką), kupiłem klona Arduino i wróciłem do zabawy. Później bawiłem się trochę drukiem 3D, do czego zachęcił mnie przypadkowo (służbowo) poznany doktorant pracujący w GIGu i robiący badania wytrzymałościowe wydruków. Do tej pory sądziłem że to musi być strasznie skomplikowane 🙂

Ostatnio miałem ochotę zrobić "coś elektronicznego", ale nie miałem pomysłu. Nie byłem zbyt wielkim fanem odtwarzania tutoriali. Wolałem sam rozwiązać jakiś problem. Przypomniało mi się jednak o mojej próbie z linefollowerem sprzed 10-laty i uświadomiłem sobie, że nawet jeśli pomysł będzie odtwórczy, to jego realizacja na pewno będzie tylko moją inwencją, a przez problemy które na pewno się pojawią, wiele się nauczę. Dostępność i ceny części do amatorskich konstrukcji poprawiły się tak bardzo, że nie zatrzymam się na problemach, które powstrzymały mnie 10 lat temu. Popularne stały się płytki rozwojowe, które były tanie i do programowania wymagały jedynie kabla USB. Napęd, koła i baza robota jest do kupienia w internecie za mniej niż 40 zł. Można się będzie skupić na prawdziwych wyzwaniach.

[Część techniczna]

Jako że w tym roku zainteresowałem się Pythonem, a potem poznałem jego wersję na mikrokontrolery, postanowiłem, że projekt będzie oparty o ESP32 (devkit) i zaprogramowany w Micropythonie właśnie. Będzie to świetna okazja żeby nauczyć się czegoś spoza ekosystemu Arduino.

Na pewno w Micropythonie pisze się szybciej, ale wykonuje się wolniej, ponieważ jest językiem wyższego poziomu niż C. Powinna to częściowo zrekompensować platforma sprzętowa o wydajności i pamięci znacznie większej niż Arduino Uno. Jak wyjdzie? Zobaczymy.

Drugi ważny komponent - mostek H to moduł oparty na TB6612FNG. Byłem bliski odruchowego zamówienia popularnego L293D, ale nie byłem pewny czy tanie zespoły napędowe nie będą wymagały większej mocy aby poruszyć kołem, a spore spadki napięć na tym, jakby nie patrzeć, starym scalaku pogorszą sprawę. Na szczęście chwilę poszperałem i znalazłem ten fajny, niewiele droższy, ale oparty już o MOSFETy moduł.

Wykrywanie linii pozostawiłem jednak klasycznemu rozwiązaniu jakim są CNY70.

Pora przerwać tę ścianę tekstu pierwszym zdjęciem:

Zdj. 1. Główne elementy zakupionego zestawu.

Bardzo szybko uporałem się z jego złożeniem. Od razu po tym pojawiły się proste dylematy.

ESP32 przyszło z wlutowanymi goldpinami, ale chciałbym je mieć odwrotnie. Przelutowywać, czy na samym początku połączyć w mniej wygodnej pozycji? Próba wylutowania kilkunastopinowej listwy okazała się trudna, więc porzuciłem ją, nie chcąc ryzykować uszkodzenia płytki. Złożyłem pierwszą wersję na zwykłych du pont cables, napisałem prosty kod do obsługi silników i dość szybko udało się zakręcić kołami 🙂

W międzyczasie przełożyłem ESP na dwie małe płytki stykowe, żeby łatwiej tworzyć i zmieniać połączenia.

Pierwsze rozczarowanie związane z Micropythonem to brak bibliotek do obsługi klasycznego Bluetooth, jedynie BLE, które jest sporo bardziej skomplikowane w obsłudze. Postanowiłem na tym etapie nie tracić czasu na opanowywanie BLE i dokupiłem poczciwy moduł HC-05.

Plusem Micropythona okazał się dostęp do konsoli i możliwość wgrywania programów przez WiFi (usługa nazywa się WebREPL). Działa to jednak średnio gdy byłem już na etapie testów jednego czujnika i chciałem wysyłać jego odczyty co mniej niż 500 ms, widocznie procedura łączenia trwa dość długo i była zakłócana przez ciągle wysyłane dane. Pomogło wysyłanie ich przez inny UART, do którego wpiąłem się najpierw przez zwykły konwerter USB-UART, a potem zastąpiłem HC-05.

Robot w tej chwili nie ma mocowań płytek, bo po sprawdzeniu, czy da się sterować kołami, zajmuję się samymi czujnikami, więc robot sobie stoi, a ja grzebię w elektronice i oprogramowaniu. Jak będzie miał jeździć to na pewno zamocuję te płytki i kable.

Tak to wygląda w tej chwili:

Zdj. 2, 3, 4 Wygląd robota - stan 09.12.2020

Dla czujnika bez problemu udało się dobrać próg wykrywania czarnej linii. Przy małej odległości od dobrze refleksyjnej powierzchni mam odczyty z ADC nawet poniżej 100, a przy zwiększeniu tej odległości lub skierowaniu transoptora na czarną taśmę izolacyjną, spokojnie dobijam napięciem do maksymalnego zakresu ADC (4095). Jeden problem z głowy. Na tę chwilę zakodowałem linię jako odczyt powyżej 1000.

Żeby przetestować szybkość działania bez obciążania UARTów dużą ilością danych, zaprogramowałem gaszenie i zapalanie wbudowanego w płytkę LEDa przy zmianie wartości poza progową. Pojawił się ciekawy problem. Kiedy ESP było podłączone do komputera przez USB i stamtąd brało zasilanie, wszystko działało. Po odłączeniu i zasilaniu z baterii świeciła się dioda Power, ale program nie wykonywał się, bo kiedy zmieniałem położenie czujnika względem różnych powierzchni, dioda sygnalizacyjna nie świeciła.

Byłem przekonany, że układ ciągnie momentami za duży prąd i mikrokontroler resetuje się. Byłem zaskoczony, ponieważ ubiegłej nocy wymieniłem baterie ze zwykłych ogniw cynkowo-węglowych na alkaliczne żeby uniknąć takich kłopotów.. Jednak na pinie Vin miałem spadki do nawet 3,7V. Zacząłem mierzyć rezystancję wewnętrzną zestawu ogniw i wyszło mi coś takiego:

Pobór prądu przez układ (bez pracujących silników, bo ich nie używałem na tym etapie) z podłączonym HC-05 wynosił około 140 mA. Przyjmując Rw baterii na poziomie 5 omów, przy tym poborze prądu powinienem mieć spadek do ok. 5,4 V, wciąż więcej niż z USB. Nie ma co wierzyć statycznym pomiarom, w takim układzie mogą być jakieś piki, które będzie można wyeliminować kondensatorem, więc sięgnąłem po oscyloskop i sprawdziłem napięcie przy nóżce Vin.

Napięcie było poniżej 5V, a okresowo spadało jeszcze nawet o prawie 1,2 V! Podczas pomiarów rezystancji baterii nie udało mi się uzyskać takiego spadku nawet pobierając z układu 350mA.

Powtarzając kilkukrotnie pomiary, wpiąłem się sondą nieco bliżej baterii. Tam napięcie było w porządku. Skoro przy pinie są duże spadki, a kabelek dalej już nie to... KABELEK

Co mogło być z nim nie tak? Spróbowałem zmierzyć rezystancję i aż Wam to nagrałem. Coś w obszarze zaciśnięcia kabla na pinie musi być nie tak, bo nic nie wypada, a rezystancja wariuje. Co najciekawsze, wynik pomiaru pływa nawet gdy kabel leży nieruchomo! Miał ktoś z Was taką sytuację?

Wymieniłem kabelek na inny i jak ręką odjął. Tak to jest jak człowiek szuka przyczyn daleko, a rozwiązanie jest banalne.

Plan na najbliższe dni:

Zdecydować, jak rozmieścić czujniki. Na pewno na początek w linii prostej, ale 4, czy 5, sąsiadująco, czy w odstępach, wszystkie sąsiadująco, czy tylko centralne, a może wszystkie w odstępach, jakie te odstępy? Warianty można mnożyć, może popatrzę na rozwiązania użytkowników forum, jeśli macie jakieś propozycje, to chętnie wysłucham. Jak będzie decyzja to zlutuje je na płytce uniwersalnej 20x80 i będę ją musiał jakoś przymocować. Prawdopodobnie wydrukuję wysięgnik trzymający płytkę. W grę jednak wchodzi też wydrukowanie  sensorotrzymacza, który pozwoli na swobodne przesuwanie transoptorów i dobór najlepszej konfiguracji.

Podsumowanie 09.12.2020: Wiem, rozpisałem się, ale... miałem ochotę się tym podzielić i tyle 🙂  Historiografię wyraźnie oznaczyłem więc jak ktoś chce pominąć to widać gdzie zaczyna się część techniczna. Chętnie wysłucham konstruktywnej krytyki, sugestii i odpowiem na pytania związane z robotem i Micropythonem, bo uważam że język ten zasługuje na większą popularność, również w polskim DIY.

 

 

Edytowano Grudzień 9, 2020 przez MasterYoda95
Dokończyłem pisanie posta

[marek1707]

Bardzo fajnie poczytać dobrze napisany tekst w temacie, który jest mi bliski, mianowicie powrotów. Trzeba mieć trochę lat na karku żeby mieć do czego wracać, ale takie świadome decyzje dają wiele frajdy. Jednocześnie muszę Cię ostrzec: z 10 lat temu wróciłem do modelarstwa zarzuconego w czasach przaśnego PRL, kiedy kupienie balsy czy pozyskanie papieru japońskiego (wtajemniczeni wiedzą o co chodzi) graniczyło z cudem, nawet w modelarni LOK. Dziś w dobie sklepów internetowych i zwykłych (w samej Wawie mam kilka do wyboru, najbliższy 5 minut rowerem), forów dyskusyjnych, darmowych planów, CNC (i zarabiania własnych pieniędzy rzecz jasna) itp część materiałowa zupełnie przestała być problemem. Jednoczęśnie dużo większa wiedza pozwala na samodzielną/krytyczną ocenę obcych konstrukcji bez koniczności ich budowania, liczenie i symulację własnych, projektowanie skrzydeł, elektroniki i tak w nieskończoność. W rezyultacie mój pokój zawieszony jest modelami, część powoli wywożę taczką do garażu i tam składuję (bo przecież do każdego mam jakiś sentyment) a i tak w pudłach mam części na conajmniej kilka(naście?) kolejnych lataczy. Bo to i samoloty i wirnikowce i poduszkowce i małe i duże i wolnolatające i RC i FPV i szybowce i rakiety.. także, uważaj. To może się źle skończyć 🙂 a widząc Twoją pasję, jestem tego w zasadzie pewien..

[MasterYoda95]

@marek1707 Twoje ostrzeżenie jest jak najbardziej zasadne. Robiąc zamówienie na jakieś części elektroniczne zamawiam zwykle 1/3 tego co mi potrzeba, a reszta to "przydasie" 🙂 muszę się bardzo ograniczać i krytycznie patrzeć na koszyk przed sfinalizowaniem każdego zakupu. Wykazałem się za to silną wolą kiedy kupiłem nową drukarkę 3D - sprzedałem starą, ale była pokusa żeby ją zostawić, no bo profile aluminiowe, silniki krokowe, paski, zasilacz, to się na pewno przyda. A potem by się okazało że się przydadzą za 10 lat, ale dłuższe profile, mocniejsze silniki i szersze paski i i tak bym musiał wszystko kupić, a mieszkanie nie jest z gumy.

Może to trochę (a nawet bardzo) offtop, ale cała ta historia na początku to też offtop, a jednak moderatorzy zaakceptowali 🙂 Myślę, że wśród majsterkowiczów zbieractwo to dość powszechny nałóg.

A co do zasobów - to jasne, dostępność na rynku i własne pieniądze to duże ułatwienie, tylko że z tym w pakiecie przyszedł też ograniczony czas 😞

[MasterYoda95]

Update: polutowałem płytkę czujników odbiciowych. LEDy czujników zasilane są z Vin (5-6 V), każda przez rezystor 330R, natomiast sygnał sczytuję z kolektorów fototranzystorów podciągniętych do 3,3 V przez rezystory 100k. Ciekawostka: ADC w ESP32 obsługuje zakres napięcia 0,0 - 1,0 V,  ale można ustawić programowo tłumienie na 0; 2,5; 6 lub 11 dB. Ostatnia opcja rozszerza zakres do 3,6 V, dzięki czemu nie trzeba używać niższego napięcia na kolektory czujników lub dzielników napięć na wejściach ADC.

Będę musiał ostatecznie poprawić zasilanie, bo na USB działa ok, a na bateriach potrafi się przywiesić. Jak robiłem testy silników i pracowały obydwa to też płytka się zawieszała 😞 myślałem że baterie są prostym i skutecznym rozwiązaniem, ale być może problem jest z połączeniami przewodowymi a nie z samymi ogniwami.

Następny krok: zaprojektowanie i wydrukowanie uchwytu płytki czujników z regulowaną wysokością.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[MasterYoda95]

Zebrałem się i udało się ogarnąć w ciągu jednego wieczoru 🙂 Niestety dzisiaj już nie zdążę podłączyć i przetestować.

Projekt:

Wykonanie:

Wydruk w Easy PETG. Mam nadzieję że czujniki nie są za wysoko, bo nie mam już dłuższych śrub M3 😞

 Następny krok: Sprawdzenie zamontowanego modułu czujników. Ogarnięcie zasilania aby ESP się nie zawieszało przy pracy silników.

[marek1707]

Te czujniki muszą jechać nad samą podłogą. One nie mają żadnej optyki więc zbierają swiatło praktycznie z całej półsfery jaką mają przed sobą. Jeśli centymetr przed nim zmienisz kolor małego detalu to jaka to jest część całkowitego światła jak dociera do detektora? 10%? I takie zmiany sygnału dostaniesz. Popatrz na Fig.11 i pomyśl nad tym chwilę:

https://www.vishay.com/docs/83751/cny70.pdf

A przecież jest to wykrywanie nachodzącej półpłaszczyzny a nie wąskiego paska taśmy. Już w odległości 5mm od czujnika najazd tego obiektu musi być praktycznie całkowity by dostać pełne przejście sygnału. Na rysunku zaczynamy zawsze 5mm poza osią czujnika a najgorszy testowany przypadek (odl. 5mm) musi wyjechać tyle samo z drugiej strony. I zauważ jak szybko wykresy wypłaszczają się z odległością, a powyżej 5mm nie badali. Nie miało to sensu.

[MasterYoda95]

Musiałem zamówić odpowiednie śruby przez internet (z przesyłką to skórka niewarta wyprawki), no ale nie chciałem drukować jakichś chybotliwych albo krzywych dystansów. Najdłuższe jakie weszły to 40 mm i na nich można opuścić czujniki na samą podłogę.

EDIT: takie ustawienie czujników powodowało, że nie widziały linii, podniosłem je na ok. 1 cm nad powierzchnię.Układ na bateriach pracuje niestabilnie nawet bez próby włączania silników. Jutro sprawdzę, jak poradzi sobie zasilany małym powerbankiem.

EDIT2: w kwestii zasilania nadal nie jest idealnie, ale zmiana źródła prądu na powerbank i dodatkowo kondensator 1000uF między Vin a GND poprawiły stabilność. Wygląda na to, że ESP podczas startu duży chwilowy pobór prądu. Podejrzewam że winowajcą jest WiFi, ale dziwię się trochę, że baterie alkaliczne nie wyrabiają i pojawiają się takie spadki napięcia:

 

Edytowano Grudzień 17, 2020 przez MasterYoda95

[mateusz797]

Ja umieściłem czujniki 1,5cm nad ziemią. Zastosowałem mostek L298N, akumurator li pol 7,4V, wyswietlacz LCD, arduino, silniki dc 6V. Program na if ach mam. Polecam. Dobrze jeździ. 🙂 Jako źródło polecam stosować akumulatory Li pol lub li ion. Wysoka wydajność prądową maja. Ja w swoim mam 2200mAh pojemność. Często nie musze ładować. Fajna jest ta Twoja konstrukcja. W poniższym filmiku jego działanie. https://m.youtube.com/watch?v=jMuw8YN35UM

Edytowano Grudzień 21, 2020 przez mateusz797

[MasterYoda95]

@mateusz797 Dzięki za podzielenie się swoją konstrukcją 🙂

Myślałem nawet nad zasilaniem z li-ion/li-pol, ale teraz okres świąteczny, więc i tak długo czekałbym na wysyłkę (nie mam za bardzo hobbystycznych sklepów elektronicznych w okolicy), więc powalczę na powerbanku. Zresztą powerbank to po prostu pojedyncze ogniwo li-ion z przetwornicą, o ile ona da radę prądowo to będzie ok. Poza tym prawdopodobnie największe spadki napięć mam na tych chińskich kabelkach, podobno konektory mają spory opór - a ja tych kabli mam bardzo dużo. Skoro prototypowy układ jest ok, to spróbuję przenieść go na PCB, żeby mieć pewniejsze połączenia.

[mateusz797]

Ok to pewnie też będzie na tym działać. Z tego co pamiętam jak kupowalem listwe z czujnikami to arduino uno moglo maksymalnie uzywac 4 pinow A0... A4. A piąty jakis niedostępny byl czy zablokowany pamietam. Wiec jak masz listwe z wiecej niz 4 czujnikami dobre jest arduino mega i inne płytki. 

[MasterYoda95]

@mateusz797 Może używałeś I2C do podłączenia wyświetlacza, w Uno linie SDA i SCL są na liniach analogowych. Ja mam 5 czujników, ale używam ESP32 🙂

[mateusz797]

Dokladnie I2C uzywalem. Ja mysle ze pewnie w przypadku linefollowerze tak 8-10 czujników jest optymalnie bo zawsze jakis pojedynczy sie moze po gubić. 

[MasterYoda95]

Udało się wykonać płytkę! Biorąc pod uwagę, że ostatni raz próbowałem to robić przy okazji pierwszego wcielenia Tesli i kiepsko to działało, to wyszła nadzwyczaj dobrze. A może po prostu nie porywałem się z motyką na słońce i dałem ścieżki 40-50 mil 🙂 połączenia były bardzo proste, bo sparowałem ESP i mostek H oraz sensory nóżkami na wprost, bez krzyżowania. Wystarczyła jednostronna płytka bez zworek 🙂 Jak widać zrobiłem sobie miejsce na gniazdo, żeby mieć dostęp do wszystkich wyprowadzeń płytki mikrokontrolera. W razie jakichś przeróbek albo przy dodawaniu nowych funkcji nie trzeba będzie od razu zmieniać płytki.

Oczywiście błędy się znalazły i wyszły już po nawierceniu otworów. Moduł mostka H, którego gotowy footprint wykorzystałem miał nieco inną kolejność wyprowadzeń i szerokość! Szkoda było mi płytki i pracy, więc po prostu odgiąłem goldpiny modułu, które miały złe połączenia na płytce i wpiąłem się w nie bezpośrednio. To odgięcie miało swoje negatywne konsekwencje, bo silniki nie chciały ruszyć i cały wieczór szukałem błędu. Okazało się, że nie ma fizycznego połączenia z padem. Przelutowałem wybrane goldpiny na drugą stronę i działa. Szerokość na szczęście dało się skompensować odgięciem gniazd szpilkowych. Druciarstwo że aż mi wstyd, ale będę rzetelnym sprawozdawcą i pokażę:

Zdecydowanie ograniczyła się liczba kabli. Na powerbanku układ działa bez zarzutu, nie zawiesza się po włączeniu silnika. Do sprawdzenia mam jeszcze sensory, ale ich układ jest na osobnej płytce, więc jeśli będzie coś nie tak, to do sprawdzenia będą połączenia między płytką czujników a płytą główną.

Tak to wygląda po operacji transplantacji ze stykówki na PCB:

Do zrobienia:

- sprawdzić działanie transoptorów

- dolutować złącza do podpięcia modułu Bluetooth

- może wreszcie napisać jakiś program żeby zacząć autonomicznie jeździć

[mateusz797]

Super te płytki wyszło. Szacun 🙂 Jak ja sprawdzałem jak działają czujniki to podpiałem lcd i np. pisalem na nim komendy. Jesli robot widzi czujnikami po prawej stronie czarna linie to wtedy ustawilem tak ze ma sie wyswietlac komenda w lewo, czyli ta w ktora powinien jechac. Chodzi o wyswietlenie kierunku aktualnego kierunku jazdy. W tym watku np. mam opisane to 🙂

 

 

Edytowano Grudzień 23, 2020 przez mateusz797

[MasterYoda95]

@mateusz797 ja zamiast wyświetlacza używam modułu bluetooth. Na razie robot stoi obok komputera, ale gdy będę testował go w czasie jazdy po podłodze, będzie znacznie wygodniej.

Tak wysyłam sobie informacje o wskazaniu czujników:

Co do sterowania - zamierzam zrobić od razu na PID, bez ifów. Najpierw człon proporcjonalny - zobaczymy co z tego wyjdzie.