Как сделать самому Луноход

в 7:29, , рубрики: BigTrak, DIY, diy или сделай сам, Блог компании Mail.Ru Group, луноход, Разработка под Arduino

Если в детстве у тебя не было велосипеда, а теперь у тебя Бентли,
то всё равно в детстве у тебя велосипеда не было.

Так уж получилось, что в моём детстве не было Лунохода. А тут ещё и ребёнок родился. В общем, я подумал, и решил сделать игрушку нам обоим.


Создавать точную копию не хотелось, да и не умею я печатать корпуса дома, поэтому решил ограничиться воссозданием похожей функциональности. Кроме того, мне показалось негуманным вводить «программу» движения по памяти и не понимать, что именно получилось ввести, поэтому добавил дисплей.

Версия 1

Как сделать самому Луноход - 1

Под рукой было недорогое шасси с Ebay и Arduino Uno.

Как сделать самому Луноход - 2

Для управления моторчиками я взял PWM Servo Shield и на макетной плате спаял L293D + PCF8574:

Как сделать самому Луноход - 3

Для считывания с клавиатуры взял PCF8574 и горсть диодов:

Как сделать самому Луноход - 4

Саму клавиатуру сделал печатной платой:

Как сделать самому Луноход - 5

Дабы клавиатура не разваливалась в руках, закрепил сверху накладку. Её пришлось заказать у «фрезеровщиков» :)

Как сделать самому Луноход - 6

Для отображения программы используется обычный дисплей 20 на 4 символа. Да, тоже через PCF8574 ;)

Для питания сначала использовал 4 батарейки, но они слишком быстро садились, и я заменил их на пару аккумуляторов 18650:

Как сделать самому Луноход - 7

Для зарядки использовал модули TP4056, которые присоединил через реле к аккумуляторам, правда, не очень успешно.

Быстрее всего получилось написать прошивку. К сожалению, оказалось, что библиотека I2C LCD имеет лицензию GPL, и код отправился в корзину. Примерно тогда же я понял, что Arduino Uno не самый удачный вариант, и что горсть PCF8574 очень неудобно паять.

И я решил начать сначала.

Версия 2

Как сделать самому Луноход - 8

Учёл предыдущий опыт, который подсказывал, что есть несколько проблем:

  • Шасси с Ebay сделано из оргстекла и очень (!) хрупкое (я перетянул винт крепления редукторов и крепление просто сломалось).
  • На шасси много крепёжных отверстий, но ни одного подходящего.
  • Вместе с шасси идут редукторы 1:48, но они слишком шустрые.
  • И вообще шасси маловато.
  • У Arduino Uno мало «ног».
  • Нет звукового модуля (а он нужен для команды «огонь»).
  • Про Li-ion в интернете пишут страшилки, давать ребёнку потенциально опасное устройство не хочется.

В результате купил:

Кроме того:

Achtung! Warning! Attention! Данные ссылки приведены исключительно для иллюстрации и упрощения дальнейшего поиска деталек. Я не могу гарантировать, что продавец внезапно не поменяет лот на какой-то другой, не изменит цену, количество и т.п.

Железо

Клавиатуру я перенёс на печатную плату (пожалуй, это единственный сложный для повторения элемент). Накладку на клавиатуру мне отфрезеровали на заказ.

Оставался вопрос: из чего же сделать шасси? Пластика подходящего не было, металл тяжело обрабатывать… А если взять фанеру? «Но это же не эстетично!», подумал было я. Но когда через полчаса я получил нормальное шасси, то изменил мнение. Шасси было не очень презентабельно и отправилось в корзину, но скорость обработки так понравилась, что я решил и дальше использовать фанеру.

Правда, второй лист я начал пилить только после того, как нарисовал примерный план:

Как сделать самому Луноход - 9

Для крепления моторов отрезал кусок алюминиевого уголка и высверлил:

Как сделать самому Луноход - 10

Платы закрепил на шестигранных стойках и соединил между собой шлейфами.

Как сделать самому Луноход - 11
(здесь же можно заметить стабилизатор на 5В и немного контактов питания).

Проводов питания оказалось многовато, поэтому я сделал из stripboard плату питания (подробности здесь). Подозреваю, что можно взять обычный sensor shield, у которого выводов питания с избытком.

Как сделать самому Луноход - 12

Так как расширителей ввода-вывода больше не было, клавиатуру пришлось переделать (исходники). Я перенёс на неё диоды и резисторы подтяжки:

Как сделать самому Луноход - 13

Как сделать самому Луноход - 14

В качестве датчика оборотов использовал щелевую оптопару и шестерню (раскрасил её перманентным маркером):

Как сделать самому Луноход - 15

В качестве третьего колеса использовал шарик:

Как сделать самому Луноход - 16

Изначально там была опора в виде колёсика на коромысле, которая шла вместе с шасси. Однако при изменении направления движения колёсико начинало разворачиваться в самый неожиданный момент и тележку бросало в сторону.

Схема соединений

Лучше всего посмотреть файлы consts.h и lcd.ino, они содержат самую актуальную информацию. Соединения, как они есть сейчас, выглядят так:
Как сделать самому Луноход - 17
Картинка кликабельна.

Прошивка

Прошивка, по сути своей, представляет обыкновенную программу, написанную в Arduino IDE. Режимов работы два: редактирование и выполнение. В процессе редактирования с клавиатуры принимается команда + количество повторений. Всё это упаковывается в 16-битное значение и складывается в массив в RAM. При выполнении программы из массива выгребаются значения и выполняются. Выполнение одного шага (в очень упрощённой форме) выглядит так:

если (уже работаем)
  проверить счётчик пройденного пути
  если (счётчик >= требуемая дистанция),
    подождать немного
        перейти к следующей команде
  иначе
    инкремент счётчика
иначе
  выключить двигатели
  взять очередную команду
  включить двигатели
  требуемая дистанция = константа*число повторений из команды


Пройденный путь определяется по количеству импульсов с оптопары, которая проверяется в прерывании таймера.

Единственное исключение — проигрывание звука. Если встречается команда «выстрел», то запускается простейший цикл for, который выгребает значения из wav-файла (он прошит в той же flash-памяти, что и программа) и выдаёт их на ЦАП R-2R. Когда значения заканчиваются, происходит возврат к обычному процессу выполнения программы.

К сожалению реальный мир несколько отличается от программной модели, на которую рассчитана прошивка, поэтому я добавил некоторое количество задержек, которые позволяют учесть инерцию шасси.

Я сознательно поставил MIT-лицензию. В моём понимании прошивку с такой лицензией можно свободно использовать как угодно, без необходимости публиковать дальнейшие изменения (не хочу никого ни к чему принуждать).

Руководство по эксплуатации ;)

Клавиатура слегка отличается от «классического» Лунохода:

Как сделать самому Луноход - 18

  • Слева расположен блок команд (зелёные — куда ехать, красная — пауза, снизу — Out, огонь, повтор).
  • В середине — цифры с количеством повторений.
  • Справа 8 клавиш управления (чёрная — удалить последнюю команду, красная — удалить всё, зелёная — запуск, жёлтая — запуск последней команды, синие — тест, серые — запасные).

Ещё раз табличкой:

На картинке Перевод Смысл
Fwd Ехать вперёд
Bwd Ехать назад
Left Повернуть налево
Right Повернуть направо
Pause Замереть
Out Не реализовано, оставлено на будущее Сделал как в Луноходе
Fire Огонь Издаёт звук «пиу!»
Loop Цикл Повторить несколько предыдущих команд один раз
0-9 Число шагов Максимум 20
Bsp Удалить последнюю команду
Del Удалить всю программу Требуется подтверждение кнопкой Go!
T1, T2 Тест Запустить тестовую программу
Check Выполнить последний шаг
Go! Выполнить все шаги

Программа вводится поочерёдным нажатием «Команда» и «Цифра». Потом жмём зелёный «Запуск» и смотрим на результат. Удаление происходит по нажатию красной кнопки, но не сразу: надо подтвердить своё решение нажатием зелёной кнопки «Запуск». При выключении питания программа удаляется.

Команда «Повтор» содержит один параметр: сколько шагов нужно повторить [один раз]. Пример: Fwd1, Pause1, Bwd1, Loop3; в результате команды Fwd1, Pause1, Bwd1 будут выполнены два раза. Первый раз потому, что они есть в программе, второй — потому что так указано в команде «Цикл».

На всякий случай контролируется заряд аккумулятора. Если он слишком мал, то выводится предупреждение и игрушка не едет.

GUI

Держать в голове всю программу тяжко, поэтому я прикрутил простейший индикатор, на котором дублируется вводимая информация.

После запуска отображается приглашение:

Как сделать самому Луноход - 19

При вводе команды в левом верхнем углу отображается значок команды и количество повторений:

Как сделать самому Луноход - 20

Если введено больше одной команды, снизу будет список (по сути, программа), а сверху всё так же будет отображаться вводимая команда:

Как сделать самому Луноход - 21

Почему получилось именно так

Игрушка создавалась из того, что было под руками или легко достать. Отдельно хочется сказать про Arduino. Она выбрана по нескольким причинам:

  • У неё подходящее количество выводов, а их надо много (43):
    • 6 для управления моторами;
    • 8+4 для клавиатуры;
    • 11 для LCD;
    • 3 для ЦАП;
    • 8 для УЗ-датчиков;
    • 2 для датчиков оборотов;
    • 1 для замера напряжения на аккумуляторе.
  • Я знаком с этой платформой.
  • Она прошивается в один клик.
  • От микроконтроллера не требуется каких-то гигантских скоростей или объёмов памяти.
  • И особой экономичности тоже не требуется, т.к. 90 % тока потребляют моторы.

Что можно улучшить

Шасси. При резком старте колёса «шлифуют» и игрушка сбивается с курса. Можно попробовать сделать шестиколёсное шасси, или вообще гусеничное (на Aliexpress есть, но я пока не пробовал).

GUI. Сейчас на индикатор выводится только минимальный объём информации, и делается это самым простым способом.

Код. Пулитцера я точно не получу.

Звук. Есть дешевые и очень мелкие mp3-плееры. Можно смело выкинуть ЦАП R-2R и заменить его на готовый плеер.

Резервные кнопки. Можно сделать запись готовой программы в EEPROM, чтобы она не терялась при выключении питания. Реализация может быть как в магнитолах: при длинном нажатии программу сохраняем, при коротком — запускаем.

Кнопка Out. На данный момент не реализована. Можно прикрутить что-то типа реле/сервы к одному из выводов Arduino.

Благодарности

  • Ребёнку, который мотивировал меня всё это время.
  • Жене, которая терпеливо ждала, пока я наиграюсь, и помогала с Corel Draw!
  • Сергею Дудникову, который отрисовал накладку на клавиатуру.
  • Андрею Шишкову, который эту самую накладку фрезеровал.
  • Антону, который сделал мне отличный mp3 со звуком «пиу!».
  • hudbrog, за идею реализовать ПИД-регулятор!
  • Чатику самодельщиков, которые меня морально поддерживали и вынужденно смотрели на промежуточные итоги работы ;)

Неудачные дубли

Мне нравятся фильмы с Джеки Чаном, потому что в конце есть нарезка неудачных дублей. У меня без них тоже не обошлось. Больше всего меня удивил тот факт, кто круглое сверло с двумя канавками даёт треугольное отверстие ;)

Как сделать самому Луноход - 22 Как сделать самому Луноход - 23
Как сделать самому Луноход - 24 Как сделать самому Луноход - 25
Как сделать самому Луноход - 26 Как сделать самому Луноход - 27
Как сделать самому Луноход - 28

Автор: JustMoose

Источник


* - обязательные к заполнению поля