ربات Turtlebot خود را بسازید!: 7 قدم

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:54

ویرایش:

اطلاعات بیشتر مربوط به نرم افزار و کنترل در این پیوند موجود است:

hackaday.io/project/167074-build-your-own-turtlebot-3-backbone

پیوند مستقیم کد عبارت است از:

github.com/MattMgn/foxbot_core

چرا این پروژه؟

Turtlebot 3 بستر مناسبی برای ورود به حوزه الکترونیک ، روباتیک و حتی هوش مصنوعی است! من به شما پیشنهاد می کنم که گام به گام turtlebot خود را با اجزای مقرون به صرفه و بدون از دست دادن ویژگی ها و عملکرد بسازید. با در نظر گرفتن یک نکته: حفظ بهترین ربات اولیه ، مدولار بودن ، سادگی و تعداد زیادی بسته برای ناوبری خودکار و AI از جامعه منبع باز.

این پروژه فرصتی است برای مبتدیان که بتوانند مفاهیم الکترونیک ، مکانیک و علوم کامپیوتر را بدست آورند ، و برای افراد با تجربه تر ، یک بستر قدرتمند برای آزمایش و توسعه الگوریتم های هوش مصنوعی بدست آورند.

در این پروژه چه چیزی را کشف خواهید کرد؟

شما در حال کشف این هستید که کدام قطعات اصلی مکانیکی و الکترونیکی باید از ربات اصلی نگهداری شوند تا سازگاری کامل را تضمین کنند.

کل مراحل ساخت به تفصیل شرح داده می شود: از چاپ قطعات سه بعدی ، مونتاژ و اجزای مختلف ، لحیم کاری و ادغام قطعات الکترونیکی تا سرانجام تدوین کد در آردوینو. این دستورالعمل با یک مثال "سلام جهان" به پایان می رسد تا شما را با ROS آشنا کند. اگر چیزی مبهم به نظر می رسد ، با خیال راحت سوال بپرسید!

تدارکات

الکترونیک:

1 عدد کامپیوتر تک صفحه ای برای اجرای ROS ، می تواند به عنوان مثال Raspberry Pi یا Jetson Nano باشد

1 x آردوینو به دلیل ، می توانید از UNO یا MEGA نیز استفاده کنید

1 عدد بورد اولیه که مناسب Arduino DUE pin-out است در اینجا موجود است

2 عدد موتور 12 ولت DC با رمزگذار (گزینه 100 دور در دقیقه)

1 عدد درایور موتور L298N

تنظیم کننده 2 x 5V

1 عدد باتری (برای مثال باتری LiSo 3S/4S)

2 کلید روشن/خاموش

2 x LED

2 مقاومت 470 کیلو اهم

3 x 4 پین اتصالات JST

1 عدد کابل USB (حداقل یک عدد بین SBC و آردوینو)

سنسورها:

1 عدد سنسور جریان (اختیاری)

1 x 9 درجه آزادی IMU (اختیاری)

1 x LIDAR (اختیاری)

شاسی:

صفحات مدولار 16 x Turtlebot (که قابلیت چاپ سه بعدی نیز دارند)

2 x چرخ 65 میلی متر قطر (6 میلی متر گزینه عرض)

4 عدد جدا کننده نایلونی 30 میلی متری (اختیاری)

20 درج M3 (اختیاری)

دیگران:

سیم ها

پیچ و درج M2.5 و M3

چاپگر سه بعدی یا شخصی که می تواند قطعات را برای شما چاپ کند

مته دستی با مجموعه ای از مته های مته مانند این

مرحله 1: توضیحات

این ربات یک دیفرانسیل ساده است که از 2 چرخ به طور مستقیم بر روی موتور آنها نصب شده است و از یک غلتک که در عقب قرار گرفته است برای جلوگیری از سقوط ربات استفاده می کند. این ربات به دو لایه تقسیم می شود:

لایه پایینی: با گروه پیشرانه (باتری ، کنترل کننده موتور و موتورها) و قطعات الکترونیکی "سطح پایین": میکروکنترلر آردوینو ، تنظیم کننده ولتاژ ، کلیدها …

لایه بالایی: با الکترونیک "سطح بالا" یعنی رایانه تک صفحه ای و LIDAR

این لایه ها با قطعات و پیچ های چاپ شده مرتبط می شوند تا از استحکام ساختار اطمینان حاصل شود.

شماتیک الکترونیکی

ممکن است شماتیک کمی آشفته به نظر برسد. این یک طرح کلی است و تمام سیم ها ، اتصالات و صفحه اولیه را نشان نمی دهد ، اما می توان آن را به صورت زیر خواند:

یک باتری 3S لیتیوم یون پلیمر با ظرفیت 3000 میلی آمپر ساعت مدار اول را تغذیه می کند ، هر دو برد کنترل موتور (L298N) و اولین تنظیم کننده 5 ولت را برای رمزگذارهای موتور و آردوینو تغذیه می کند. این مدار از طریق یک سوئیچ با LED فعال می شود که حالت روشن/خاموش آن را نشان می دهد.

همان باتری یک مدار دوم را تغذیه می کند ، ولتاژ ورودی به 5 ولت تبدیل می شود تا کامپیوتر تک صفحه ای را تغذیه کند. در اینجا نیز ، مدار از طریق سوئیچ و LED فعال می شود.

سنسورهای اضافی مانند LIDAR یا دوربین را می توان مستقیماً بر روی رزبری پای از طریق USB یا پورت CSI اضافه کرد.

طراحی مکانیکی

قاب ربات از 16 قسمت یکسان تشکیل شده است که 2 لایه مربع شکل (عرض 28 سانتی متر) تشکیل داده اند. سوراخ های زیاد اجازه می دهد تا قطعات اضافی را در هر کجا که به آن نیاز دارید نصب کنید و یک طراحی کامل مدولار ارائه دهید. برای این پروژه ، من تصمیم گرفتم صفحات اصلی TurtleBot3 را تهیه کنم ، اما می توانید آنها را به صورت سه بعدی چاپ کنید زیرا طراحی آنها منبع باز است.

مرحله 2: مجموعه بلوک موتور

آماده سازی موتور

اولین قدم این است که دور هر موتور نوار فوم ضخامت 1 میلی متر اضافه کنید تا از لرزش و سر و صدا هنگام چرخش موتور جلوگیری شود.

قطعات چاپ شده

نگهدارنده موتور به دو قسمت منجر می شود که مانند یک موتور به موتور می چسبند. 4 پیچ برای محکم کردن موتور در نگهدارنده به دست آمده است.

هر نگهدارنده از چندین سوراخ تشکیل شده است که میزهای M3 را برای نصب روی سازه میزبانی می کند. سوراخ های بیشتری نسبت به نیاز واقعی وجود دارد ، سوراخ های اضافی در نهایت می توانند برای نصب قسمت اضافی استفاده شوند.

تنظیمات چاپگر سه بعدی: همه قطعات با پارامترهای زیر چاپ می شوند

• نازل با قطر 0.4 میلی متر
• 15٪ پر کردن مواد
• لایه ارتفاع 0.2 میلی متر

چرخ

چرخ های انتخاب شده با لاستیک پوشانده شده اند تا بیشترین چسبندگی را داشته باشند و از شرایط نورد بدون لغزش اطمینان حاصل کنند. یک پیچ گیره ، چرخ نصب شده بر روی محور موتور را حفظ می کند. قطر چرخ باید به اندازه ای بزرگ باشد که از ناهمواری های کوچک و پله ای عبور کند (قطر این چرخ ها 65 میلی متر است).

تثبیت

وقتی کار با یک بلوک موتور را انجام دادید ، عملیات قبلی را تکرار کنید و سپس به سادگی آنها را با پیچ M3 در لایه ثابت کنید.

مرحله 3: سوئیچ ها و آماده سازی کابل

آماده سازی کابل موتور

به طور کلی رمزگذار موتور دارای یک کابل است که از یک طرف یک کانکتور 6 پینی دارد که پشت PCB رمزگذار را متصل می کند و سیم های برهنه در طرف دیگر.

شما این امکان را دارید که آنها را مستقیماً روی صفحه اصلی یا حتی آردوینو خود بچسبانید ، اما من به شما توصیه می کنم که به جای آن از هدرهای زنانه و اتصالات JST-XH استفاده کنید. بنابراین می توانید آنها را روی برد اولیه خود وصل یا جدا کنید و مونتاژ خود را آسان تر کنید.

نکات: می توانید بافته های آستین قابل انعطاف را در اطراف سیم های خود و قطعات لوله کوچک کننده را در نزدیک اتصالات اضافه کنید ، بدین ترتیب یک کابل "تمیز" دریافت خواهید کرد.

سوئیچ و LED

برای فعال کردن دو مدار تغذیه ، 2 کابل LED و سوئیچ تهیه کنید: ابتدا یک مقاومت 470 کیلو اهم را روی یکی از پین های LED لحیم کنید ، سپس LED را روی یکی از سوئیچ ها لحیم کنید. در اینجا همچنین می توانید از یک قطعه لوله کوچک کننده برای مخفی کردن مقاومت در داخل استفاده کنید. مراقب باشید که LED را در جهت مناسب لحیم کنید! این عمل را برای بدست آوردن دو کابل سوئیچ/led انجام دهید.

مونتاژ

کابلهای ساخته شده قبلی را روی قسمت چاپ سه بعدی مربوطه مونتاژ کنید. برای نگه داشتن سوئیچ از مهره استفاده کنید ، چراغ های LED به چسب احتیاج ندارند ، فقط کافی است آن را به اندازه کافی در سوراخ قرار دهید.

مرحله 4: سیم کشی بردهای الکترونیکی

طرح تابلوها

برای کاهش تعداد سیم ها از یک تخته اولیه که دارای طرح برد آردوینو است ، استفاده می شود. در بالای صفحه اصلی ، L298N با هدر زنانه Dupont (دوپونت هدرهای Arduino like) هستند.

آماده سازی L298N

در اصل ، تخته L298N با هدر مرد Dupont مربوطه همراه نیست ، شما باید یک ردیف 9 پین زیر تخته اضافه کنید. همانطور که در تصویر مشاهده می کنید ، باید 9 سوراخ با قطر مته 1 میلی متر به موازات سوراخ های موجود ایجاد کنید. سپس پین های مربوط به 2 ردیف را با مواد لحیم کاری و سیم های کوتاه وصل کنید.

L298N پین کردن

L298N از 2 کانال تشکیل شده است که امکان کنترل سرعت و جهت را دارد:

جهت از طریق 2 خروجی دیجیتال ، به نام IN1 ، IN2 برای کانال اول ، و IN3 و IN4 برای کانال دوم

از طریق 1 خروجی دیجیتالی ، برای کانال اول ENA و برای کانال دوم ENB نامیده می شود

من پین آپ زیر را با آردوینو انتخاب کردم:

موتور چپ: IN1 روی پایه 3 ، IN2 روی پایه 4 ، ENA روی پایه 2

موتور راست: IN3 در پین 5 ، IN4 در پین 6 ، ENB در پین 7

تنظیم کننده 5 ولت

حتی اگر l298N به طور معمول قادر به ارائه 5V باشد ، من هنوز یک تنظیم کننده کوچک اضافه می کنم. آردوینو را از طریق پورت VIN و 2 رمزگذار روی موتورها تغذیه می کند. می توانید این مرحله را مستقیماً با استفاده از تنظیم کننده داخلی L298N 5V رد کنید.

اتصالات JST و رمزگذار پین کردن

از 4 پین زن آداپتور اتصال JST-XH استفاده کنید ، سپس هر کانکتور به موارد زیر متصل می شود:

• 5V از رگولاتور
• یک زمین
• دو پورت ورودی دیجیتالی (برای مثال: 34 و 38 برای رمزگذار راست و 26 و 30 برای یک چپ)

I2C اضافی

همانطور که ممکن است متوجه شده باشید ، یک کانکتور JST 4 پین اضافی روی برد اولیه وجود دارد. برای اتصال دستگاه I2C مانند IMU استفاده می شود ، شما می توانید همین کار را انجام دهید و حتی پورت خود را اضافه کنید.

مرحله 5: موتور گروه و آردوینو در لایه پایین

تثبیت بلوک های موتور

هنگامی که لایه زیرین با صفحات 8 Turtlebot مونتاژ شد ، به سادگی از 4 پیچ M3 به طور مستقیم در درها برای نگهداری بلوک های موتور استفاده کنید. سپس می توانید سیم های برق موتور را به خروجی های L298N و کابل های ساخته شده قبلی را به کانکتورهای JST پروتو برد متصل کنید.

توزیع قدرت

توزیع برق به سادگی با یک بلوک ترمینال مانع انجام می شود. در یک طرف مانع ، کابل با پلاگین زن XT60 برای اتصال به باتری LiPo پیچ شده است. از طرف دیگر ، دو کابل LED/سوئیچ ما که قبلاً لحیم شده بود ، پیچ خورده است. بنابراین هر مدار (موتور و آردوینو) را می توان با کلید مخصوص خود و LED سبز مربوطه فعال کرد.

مدیریت کابل

به سرعت مجبور خواهید شد با کابل های زیادی برخورد کنید! برای کاهش جنبه کثیف ، می توانید از "جدول" که قبلاً پرینت سه بعدی شده استفاده کنید. روی میز ، تخته های الکترونیکی خود را با نوار دو طرفه نگه دارید و زیر میز اجازه دهید سیم ها آزادانه جریان پیدا کنند.

نگهداری باتری

برای جلوگیری از پرتاب شدن باتری هنگام رانندگی با ربات خود ، می توانید به سادگی از نوار الاستیک مو استفاده کنید.

کاستور غلتکی

در واقع یک غلتک نیست بلکه یک نیم کره ساده است که با 4 پیچ در لایه زیرین ثابت شده است. برای اطمینان از ثبات ربات کافی است.

مرحله 6: رایانه تک صفحه ای و سنسورها در لایه فوقانی

کدام رایانه تک تخته را انتخاب کنیم؟

نیازی نیست رزبری پای معروف را به شما ارائه دهم ، تعداد موارد استفاده آن تا حد زیادی از حوزه رباتیک فراتر می رود. اما یک چالش بسیار قوی تر برای رزبری پای وجود دارد که ممکن است نادیده بگیرید. در واقع Jetson Nano از Nvidia علاوه بر پردازنده ، یک کارت گرافیک قدرتمند 128 هسته ای را نیز در خود جای داده است. این کارت گرافیکی خاص برای تسریع کارهای گران قیمت محاسباتی مانند پردازش تصویر یا استنتاج شبکه عصبی توسعه یافته است.

برای این پروژه من Jetson Nano را انتخاب کردم و شما می توانید قسمت سه بعدی مربوطه را در بین فایل های پیوست پیدا کنید ، اما اگر می خواهید با Raspberry Pi بروید موارد قابل چاپ زیادی در اینجا وجود دارد.

تنظیم کننده 5 ولت

هر تخته ای که تصمیم بگیرید روی ربات خود بیاورید ، به یک تنظیم کننده 5 ولت نیاز دارید. آخرین رزبری پای 4 به حداکثر 1.25 آمپر احتیاج دارد ، اما Jetson Nano تا 3A به استرس احتیاج دارد ، بنابراین من Pololu 5V 6A را برای ذخیره انرژی برای اجزای آینده (سنسورها ، چراغ ها ، پله ها …) انتخاب کردم ، اما هر 5V 2A ارزان قیمت باید این کار را انجام دهد. کار. Jetson از بشکه 5.5 میلیمتری DC و Pi از میکرو USB استفاده می کند ، کابل مربوطه را گرفته و به خروجی تنظیم کننده لحیم می کند.

طرح LIDAR

LIDAR مورد استفاده در اینجا LDS-01 است ، انواع دیگر LIDAR 2D وجود دارد که می توان از آنها مانند RPLidar A1/A2/A3 ، YDLidar X4/G4 یا حتی LIDAR های Hokuyo استفاده کرد. تنها شرط این است که باید از طریق USB وصل شود و در بالای ساختار قرار گیرد. در واقع اگر LIDAR به خوبی متمرکز نباشد ، نقشه ایجاد شده توسط الگوریتم SLAM ممکن است موقعیت تخمینی دیوارها و موانع را از موقعیت واقعی آنها تغییر دهد. همچنین در صورت عبور هرگونه مانع از روبات از پرتو لیزر ، محدوده و میدان دید را کاهش می دهد.

نصب LIDAR

LIDAR بر روی یک قطعه چاپ سه بعدی نصب شده است که از شکل آن پیروی می کند ، خود قسمت بر روی یک صفحه مستطیلی نگه داشته شده است (در واقع در تخته سه لا روی تصویر است اما می توان آن را به صورت سه بعدی نیز چاپ کرد). سپس یک قسمت آداپتور به گروه اجازه می دهد تا با جداکننده های نایلونی بر روی صفحه بالای لاک پشت ثابت شوند.

دوربین به عنوان حسگر اضافی یا جایگزین LIDAR

اگر نمی خواهید پول زیادی برای LIDAR (که حدود 100 دلار هزینه دارد) خرج کنید ، به دنبال دوربین بروید: الگوریتم های SLAM نیز وجود دارند که فقط با یک دوربین RGB تک چشمی اجرا می شوند. هر دو SBC دوربین USB یا CSI را می پذیرند.

علاوه بر این دوربین به شما امکان می دهد اسکریپت های بینایی و تشخیص شیء را اجرا کنید!

مونتاژ

قبل از بستن ربات ، کابل ها را از سوراخ های بزرگتر در صفحه فوقانی عبور دهید:

• کابل مربوطه از تنظیم کننده 5V به SBC شما
• کابل USB از پورت برنامه نویسی Arduino DUE (نزدیکترین به بشکه DC) به پورت USB SBC شما

سپس صفحه بالایی را با دوازده پیچ در موقعیت خود نگه دارید. ربات شما اکنون آماده برنامه نویسی است ، خوب انجام شد!

گام هفتم: حرکت دهید

آردوینو را کامپایل کنید

Arduino IDE مورد علاقه خود را باز کرده و پوشه پروژه به نام own_turtlebot_core را وارد کنید ، سپس برد و پورت مربوطه را انتخاب کنید ، می توانید به این آموزش عالی مراجعه کنید.

تنظیمات Core را تنظیم کنید

این پروژه از دو فایل تشکیل شده است ، و یکی باید با ربات شما سازگار باشد. بنابراین بیایید own_turtlebot_config.h را باز کنیم و دریابیم کدام خطوط به توجه ما نیاز دارند:

#تعریف ARDUINO_DUE // ** این خط را کامنت کنید اگر از موعد مقرر استفاده نمی کنید **

باید فقط با Arduino DUE استفاده شود ، اگر در مورد خط نظر ندهید.

#تعریف RATE_CONTROLLER_KP 130.0 // ** این مقدار را تنظیم کنید **

#تعریف RATE_CONTROLLER_KD 5000000000000.0 // ** این ارزش را تنظیم کنید ** #تعریف RATE_CONTROLLER_KI 0.00005 // ** TUNE THIS VALUE **

آن 3 پارامتر مربوط به افزایش کنترل کننده نرخ است که توسط PID برای حفظ سرعت مطلوب استفاده می شود. بسته به ولتاژ باتری ، جرم ربات ، قطر چرخ و چرخ دنده مکانیکی موتور شما ، باید مقادیر آنها را تطبیق دهید. PID یک کنترل کننده کلاسیک است و در اینجا به شما توضیح داده نمی شود ، اما این پیوند باید ورودی های کافی برای تنظیم تنظیمات خود را در اختیار شما قرار دهد.

/ * پین ها را تعریف کنید */

// موتور A (راست) const byte motorRightEncoderPinA = 38؛ // ** با پین خود NB ** MODIFY با پین NB ** const byte motorRightEncoderPinB = 34؛ // ** اصلاح با پین خود NB ** const byte enMotorRight = 2؛ // ** MODIFY WIN PIN NB ** const byte in1MotorRight = 4؛ // ** MODIFY WIN PIN NB ** const byte in2MotorRight = 3؛ // ** با پین خود NB ** // موتور B (سمت چپ) const byte motorLeftEncoderPinA = 26 ؛ // ** اصلاح با پین خود NB ** const byte motorLeftEncoderPinB = 30؛ // ** اصلاح با پین خود NB ** const byte enMotorLeft = 7؛ // ** اصلاح با پین خود NB ** const byte in1MotorLeft = 6؛ // ** اصلاح با پین خود NB ** const byte in2MotorLeft = 5؛ // ** با پین خود شماره N ** را تغییر دهید **

این بلوک pinout بین L298N و Arduino را مشخص می کند ، به سادگی شماره پین را تغییر دهید تا با شماره شما مطابقت داشته باشد. پس از اتمام کار با فایل پیکربندی ، کد را کامپایل و بارگذاری کنید!

ROS را نصب و پیکربندی کنید

پس از رسیدن به این مرحله ، دستورالعمل ها دقیقاً مشابه دستورالعمل های ذکر شده در کتابچه راهنمای عالی TurtleBot3 است ، شما باید با دقت عمل کنید

بسیار خوب TurtleBot 3 اکنون مال شماست و می توانید تمام بسته ها و آموزش های موجود را با ROS اجرا کنید.

خوب اما ROS چیست؟

ROS مخفف Robots Operating System است ، ممکن است در ابتدا کاملاً پیچیده به نظر برسد ، اما اینطور نیست ، فقط راهی برای ارتباط بین سخت افزار (حسگرها و محرک ها) و نرم افزار (الگوریتم های ناوبری ، کنترل ، بینایی کامپیوتر …) تصور کنید. به عنوان مثال ، می توانید LIDAR فعلی خود را به راحتی با مدل دیگری بدون خرابی تنظیمات خود عوض کنید ، زیرا هر LIDAR پیام LaserScan یکسانی را منتشر می کند. ROS به طور گسترده ای در زمینه رباتیک استفاده می شود ،

اولین مثال خود را اجرا کنید

معادل "سلام جهان" برای ROS شامل دورکاری ربات شما از طریق رایانه از راه دور است. کاری که می خواهید انجام دهید این است که دستورات سرعت را برای چرخاندن موتورها ارسال کنید ، دستورات از این لوله پیروی می کنند:

• یک گره turtlebot_teleop ، در رایانه راه دور اجرا می شود ، یک موضوع "/cmd_vel" شامل پیام Twist را منتشر کنید
• این پیام از طریق شبکه پیام های ROS به SBC ارسال می شود
• یک گره سریال اجازه می دهد "/cmd_vel" در Arduino دریافت شود
• آردوینو پیام را می خواند و سرعت زاویه ای را روی هر موتور تنظیم می کند تا با سرعت خطی و زاویه ای مورد نظر روبات مطابقت داشته باشد.

این عملیات ساده است و می توان با اجرای خطوط فرمان ذکر شده در بالا به آن رسید! اگر می خواهید اطلاعات دقیق تری داشته باشید ، فقط ویدیو را تماشا کنید.

[SBC]

roscore

[SBC]

rosrun rosserial_python serial_node.py _port: =/dev/ttyACM0 _baud: = 115200

[کامپیوتر از راه دور]

صادر کردن TURTLEBOT3_MODEL = $ {TB3_MODEL}

roslaunch turtlebot3_teleop turtlebot3_teleop_key.launch

فراتر رفتن

هر بار که با این دستور مواجه می شوید ، قبل از آزمایش تمام مثال های رسمی ، باید آخرین مورد را بدانید:

roslaunch turtlebot3_bringup turtlebot3_robot.launch

شما باید این دستور را در SBC خود اجرا کنید:

rosrun rosserial_python serial_node.py _port: =/dev/ttyACM0 _baud: = 115200

و اگر LIDAR دارید فرمان مربوطه را در SBC خود اجرا کنید ، در مورد من من LDS01 را با خط زیر اجرا می کنم:

roslaunch hls_lfcd_lds_driver hlds_laser.launch

و این همه ، شما به طور قطعی turtlebot خود را ساخته اید:) شما آماده کشف قابلیت های فوق العاده ROS و کدگذاری الگوریتم های دید و یادگیری ماشین هستید.