Micromouse Minotaur

[rusin]

Cześć,

Jestem z Koła Naukowego Robotyków z Politechniki Warszawskiej. Niedawno stwierdziliśmy, że w sumie fajnie by było opisać gdzieś nasze konstrukcje. Jako, że zdarza nam się korzystać z zasilaczy z czarnej listy, padło na forbota 😃 . Na pierwszy ogień chcieliśmy wypuścić jedną ze starszych maszyn – Minotaura.

Jego historia była dość ciekawa – na 3 tygodnie przed ubiegłorocznymi zawodami Robomaticon razem z kolegą stwierdziliśmy, że może fajnie byłoby wystawić tam jakiegoś Micromouse’a. Postawiliśmy zatem na jak najprostsze rozwiązania, które z jednej strony pozwoliłyby nam przetestować różne algorytmy jazdy, z drugiej zaś zaoszczędziłyby czasu na wykonanie oraz programowanie. Dzięki temu jednak konstrukcja jest dość prosta i może być dobrym projektem dla początkujących robotyków.

Mechanika

Bazę montażową dla całego robota stanowi obudowa wydrukowana na drukarce 3D. Pierwsza wersja zakładała, że podstawa robota będzie rozpostarta na kwadracie o długości 110 mm o zaokrąglonych narożach.

Po wykonaniu prototypu oraz pierwszych testach bardzo szybko okazało się jednak, że robot jest zdecydowanie za duży.

Z uwagi na to, że możliwe okazało się zmniejszenie odległości pomiędzy silnikami bez uszczerbku na działaniu enkoderów magnetycznych, zdecydowano się znacznie ograniczyć wymiary robota. Kolejna (ostateczna) wersja robota miała już w podstawie kwadrat o boku 80 mm. Aby móc ograniczyć wymiary, zdecydowano się na węższe ścianki boczne. Z uwagi na dużą łamliwość, zrezygnowano z drukowanych mocowań do płytek z elektroniką i zastąpiono je gotowymi, plastikowymi dystansami. Ostateczny wynik można oglądać na zdjęciu poniżej:

W robocie Minotaur zdecydowano się na zastosowanie silników POLOLU z metalową mikroprzekładnią 50:1 z obustronnym wałem. Pozwoliło to na zastosowanie enkoderów magnetycznych tej samej firmy. Na wałach silników zamocowano wykonane metodą druku 3D koła. W pierwszej wersji zastosowano opony odlewane z silikonu, jednak później (ze względu na dość szybkie zużywanie się silikonowych) zdecydowano się na wykorzystanie opon Kyosho Mini-Z. Pozwoliło to zminimalizować poślizgi.

Dodatkowymi elementami są elementy podporowe, oklejone taśmą teflonową oraz górna pokrywa robota, do której jest mocowana bateria.

Elektronika

Ze względu na małe zasoby czasowe oraz dostępność części w laboratorium elektronika robota Minotaur została oparta na Arduino Uno. Prawie cała pozostała elektronika (z wyjątkiem sensorów) została umiejscowiona na shieldzie wpinanym w Arduino.

Poza wspomnianymi wcześniej silnikami z enkoderami, zastosowano jedynie kilka komponentów. mostki TB6612FNG, które (ze względu na przykre doświadczenia w poprzednich konstrukcjach) zastosowano po jednym dla każdego silnika (zwarto wyprowadzenia). Za interfejs użytkownika służyły 1 przycisk oraz 1 dioda. Poza tym za pomocą dzielnika napięcia monitorowano stan baterii.

Aby poprawić jazdę, zdecydowano się na zastosowanie czujnika IMU (Pololu Mini-IMU 9), który znaleźliśmy w laboratorium. Jednak, nawet przy wyłączonym żyroskopie robot radził sobie w labiryncie. Wypinany moduł Bluetooth służył głównie do doboru nastaw podczas programowania (obecnie nie jest on wykorzystywany).

W robotach zastosowano czujniki odległości stworzone z 2 diód IR oraz fototranzystora. Światło emitowane przez diodę IR odbija się od ściany labiryntu i wraca do fototranzystora.

Zastosowano jedynie 3 takie czujniki, umiejscowione na środku ścian robota. Jeden z nich ma za zadanie sprawdzać, czy ściana jest na wprost. Pozostałe 2 umiejscowione na bokach sprawdzają, czy ścianka istnieje z boku. Pozwalają także robotowi utrzymać stałą odległość pomiędzy ściankami. Innym ich wykorzystaniem jest snapowanie – jeżeli robot ma mały błąd kątowy (liczony na bieżąco), to w momencie gdy jakaś ścianka mu się kończy, aktualizuje swoje położenie.

Algorytm

Podobnie jak w większości konstrukcji, które nie poruszają się metodą prawej/lewej dłoni, w robocie został zaimplementowany algorytm „flood fill” - zalewania wodą (Bellmana - Forda). Naszą jedyną modyfikacją, była preferencja jazdy prosto (obrót jest dla nas bardziej kosztowny). Aby nie zmuszać bardziej zaawansowanych czytelników do przewijania, początkujących odsyłam do linku: [LINK]

Aby móc choć nieco przystosować się do warunków zmiennego oświetlenia, na początku każdego przejazdu dokonujemy kalibracji.

Aby robot mógł swobodnie poruszać się po labiryncie powinien on potrafić wykonywać 2 podstawowe ruchy: jazda do przodu oraz skręt (o 90o w prawo i lewo, obrót o 180o). Przed jazdą powinien on jednak skalibrować czujniki.

Do obrotu wykorzystywane są dwa czujniki: enkodery oraz żyroskop. Wiodącym czujnikiem jest żyroskop, z którego po scałkowaniu prędkości otrzymujemy kąt obrotu. Enkodery wykorzystywane są głównie do kontroli prędkości obrotowej kół, aby robot obracał się w miejscu bez zbędnego przemieszczenia (jeśli oba koła kręcą się z ta samą szybkością wówczas robot obraca się wokół swojego środka).

Aby zminimalizować szanse kolizji robota ze ścianami labiryntu podczas jazdy wykorzystuje się odczyty z trzech typów czujników: odległości, enkoderów oraz żyroskopu. Każda z tych wartości jest uwzględniana z odpowiednią wagą, która została dobrana w sposób eksperymentalny. Wagi nie są jednak stałe, ale zależne od ułożenia ścianek lub ich braku. Do utrzymywania kierunku wykorzystywane są enkodery oraz żyroskop, natomiast czujniki odległości służą do utrzymywania robota w równych odstępach od bocznych ścianek niwelując niedokładności obrotów. Do jazdy na wprost podobnie jak podczas obrotu wykorzystywany jest regulator PD.

Innym ważnym aspektem jest pokonywanie zadanego dystansu, jest to długość pojedynczej komórki. Błędy podczas pomiaru odległości mogą skutkować złym zmapowaniem labiryntu bądź kolizją ze ścianką. Korzystając z faktu, że kształt labiryntu jest znormalizowany możemy bazować robota do punktów charakterystycznych (w tym wypadku jest to początek bądź koniec ścianki). Korzystając z bazowania co pewien czas zerowany jest błąd położenia (np. w miejscach pokazanych na rys. poniżej).

I na koniec coś co wszyscy lubią najbardziej, czyli robot w akcji. Niestety nie jest to najnowsze wideo, ale na pewno w najlepszej jakości, czyli przejazd robota podczas zawodów ISTROBOT w Bratysławie.

[wn2001]

Gratuluję działającej konstrukcji, naprawdę ładny MM. W jakim programie zaprojektowaliście obudowę? I jeszcze jedno pytanie - spotykałem się, podobnie jak tu, z opinią, że roboty przekraczające wymiary 11-12 cm są za duże do MM. Czy chodzi o to, że taki duży łatwiej uderzy w ścianę czy o coś jeszcze? Konkretnie - czy jeżeli ten robot (to znaczy ten prototyp 11x11cm) byłby wall-followerem, to spełniłby swoje zadanie?

[Mihao]

I jeszcze jedno pytanie - spotykałem się, podobnie jak tu, z opinią, że roboty przekraczające wymiary 11-12 cm są za duże do MM

Generalnie może tutach chodzić o fakt że jeżeli robot nie jest idealnie pozycjonowaniu (mały margines błedu) to przy obrocie w miejscu może uderzyć o ściane bo przy 11 cm obrót w miejscu potrzebuje koła o średnicy ok 15,75cm a labirynt ma możliwość max 16,8cm także tylko 1 centymetr luzu pozostaje aby nie uderzyć o ścianę.

[wn2001]

No właśnie wiem, że ma bardzo mało zapasu (w zaokrągleniu [16,8cm - 11*sqrt(2)]/2=0,65cm=6,5mm), ale chodzi o to, czy będąc wall-followerem by to przeszkadzało?

[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

[deshipu]

Bardzo podoba mi się, że wszystko jest na wtyczkach i śrubkach, a nie posklejane i polutowane na sztywno. No i gratuluję algorytmu centrowania, na pewno było to trudne.

[GAndaLF]

wn2001, szerokość MM mniejsza niż 11cm umożliwia robotowi jazdę po skosie. Żeby robot jechał po skosie bez zmiany kierunku jego szerokość nie może przekraczać połowy przekątnej jednej komórki labiryntu czyli (180 - 12) * sqrt(2) / 2 co daje w przybliżeniu 119 mm. W praktyce musi być jeszcze trochę węższy, żeby zostawić sobie margines błędu.

[wn2001]

GAndaLF, dziękuję za odpowiedź, ale chodzi mi oto, czy zapas, jaki miał by robot obracając się (6,5 mm z jednej strony), wystarczy, aby jedynie podążał za ścianą? Teoretycznie tak, ale chciałbym wiedzieć, jak to wygląda w praktyce 🙂

[Mihao]

Patrze teraz na schemat elektryczny i nie widzę jednego - czy wzmacniacie jakoś prąd na diodach IR? Diody są sterowane impulsowo ?

[wn2001]

Mihao, chyba nie trzeba było sterować tych diód impulsowo, bo sobie wzajemnie nie przeszkadzają 🙂 Poza tym do kilku cm prąd diody IR może być mniejszy od maksymalnego ciągłego dla danego modelu, więc strasznie prądożerne raczej nie są.

A na czym polega kalibracja czujników - ustawiacie robota na środku startowej komórki, odczytujecie wartość z czujników i np. granica gdzie jest ściana, a gdzie jej nie ma to:

[(ADC z prawego+ADC z lewego)/2+ADC na wprost]/2

czy np. za każdym razem odejmujecie odczyty przy włączonych i wyłączonych IR (jeżeli macie możliwość sterowania diodami, bo to tylko moje przypuszczenia)? 😃

[Harnas]

Zdecydowanie jest lepiej mieć mocniejszy prąd diod i mniejsze rezystory przy fototranzystorach (mniejsza czułość). Chodzi o to żeby przy dużym oświetleniu zewnętrznym (a na zawodach bywało różnie) zwiększa się udział składowej stałej, co przy zbyt dużej czułości odbiornika może doprowadzić do jego nasycenia sie.

[ Dodano: 19-04-2016, 20:35 ]

A kalibracje robiłem tym sposobem: http://www.micromouseonline.com/2011/05/07/easier-wall-sensor-calibration/

[wn2001]

A jeżeli ja mam przy TSAL6400 100om i przy LITR5B 10Kom to mogę mieć problem? Robiłem już testy samych czujników, bardzo dobrze reagują na białą kartkę i są mało czułe na oświetlenie z zewnątrz, ale przy zaświeceniu z pilota napięcie na wyjściu sięga się 5V.

PS Przepraszam za pytanie niezwiązane bezpośrednio z tematem wątku, ale skoro to już wyniknęło z dalszych postów, to chyba można 🙂

[Mihao]

Sterowanie impulsowe jest wymagane przy zwiększeniu prądu (np poprzez układ darlingtona) ponieważ dioda nie wytrzyma takiego prądu ciągłego i np diody TEFT4300 mają przez 100 ms max prąd 500mA ale już przy 1,5A tylko 10ms po wydłużeniu tego czasu dioda może ulec uszkodzeniu

Tu nie chodzi o zakłócanie się tylko o zwiększenie ilości światła produkowanego przez diody w celu lepszych pomiarów.

wn2001

Patrząc po notach katalogowych obu elementów wpływ światła słonecznego lub sztucznego bedzie znikomy ponieważ oba elementy są na częstotliwośc fali 940nm a światło widzialne kończy się na ok 800 a w zasadzie na lekko ponad 700 także "jesteś bezpieczny". A sam bład bedzie bardziej wynikał z współczynnika odbicia (albo jak kto woli absorbowaniu) światła przez ścianę i bardziej to trzeba kalibrować.

Ale jak się myle to niech ktoś mnie poprawi.

[wn2001]

Mihao, dziękuję za odpowiedź. Przy wyborze tych elementów kierowałem się tym, że obydwa są na 940nm, a kalibrację chyba będę przeprowadzał przez odejmowanie poziomów napięć na fototranzystorze przy włączonym i wyłączonym oświetleniu IR. Mój wall-follower będzie baaardzo wolny, więc mikrokontlorer powinien się wyrobić 😃

EDIT:

Mam jeszcze drobne pytanie - czy zasilanie to LiPo 2S? Jeżeli tak, to czy sprawdzanie całkowitego napięcia tylko z dzielnika jest bezpieczne (widzę na schemacie)? Daje ono podobne rezultaty jak sprawdzanie każdej celi z osobna? Czy jako wartość graniczna, jeżeli jest sprawdzane tylko napięcie całkowite, ustawiona jest np. 6,5V?