CxemCAR - Android-управление машинкой по Bluetooth. CxemCAR - Android-управление машинкой по Bluetooth Радиоуправление ардуино и смартфон для машины

Очень часто в ваших проектах возникает необходимость в дистанционном управлении или передачи данных с ваших телефонных гаджетов.

Один из самых популярных и распространенных методов обмена данными посредством Bluetooth.

Сегодня мы разберем простые примеры как можно подключить Bluetooth модуль к Arduino и настроить дистанционное управление с телефона.

Нам понадобится:

• Набор проводов ПАПА-МАМА
  
• HC-06 Bluetooth
  

Подключать Bluetooth модуль к микроконтроллеру Arduino удобнее всего с помощью проводков ПАПА-МАМА .

Arduino	Bluetooth
Pin 1 (TX)	RXD
Pin 0 (RX)	TXD
GND	GND
5V	VCC

Будьте внимательны, подключать подключать нужно TX -> RXD ,RX -> TXD .

Теперь необходимо записать пробный код программы:

Во время загрузки скетча необходимо что бы Bluetooth модуль был отключен от микроконтроллера arduino. В противном случае скетч не запишется, потому что связь с Bluetooth модулем происходит по одному и томуже порту RX и TX, что и USB.

Int val; int LED = 13; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(LED, OUTPUT); digitalWrite(LED, HIGH); } void loop() { if (Serial.available()) { val = Serial.read(); // При символе "1" включаем светодиод if (val == "1") { digitalWrite(LED, HIGH); } // При символе "0" выключаем светодиод if (val == "0") { digitalWrite(LED, LOW); } } }

После того как скетч записан и Bluetooth модуль подключен к Arduino, можно перейти к следующему шагу.

Подключение Bluetooth к телефону

Желательно в качестве источника питания для arduino использовать не USB, а внешний Блок питания на 9 В.

1. Включаем Bluetooth на телефоне и ищем новые устройства
2. Находим в списке расстройств "HC-06" и подключаемся к нему.
3. Телефон спросит пин-код. необходимо ввести "1234 " или "0000 "
4. Ура. Устройство подключено.

Теперь нужно скачать bluetooth terminal на ваш телефон. Мы рассмотрим на примере платформы Android.

Вы можете установить разные bluetooth терминалы, как правило они отличаются только разными дизайнами, функционал от этого не меняется. Так же можно найти и терминал и для продуктов ios.

После того как мы установили терминал, запускаем его выбираем наш bluetooth модуль HC-06 и подключаемся к нему.

Пришло время попробовать проект в деле. Пишем в терминале цифру "0" и отправляем. Светодиод L который находится на плате arduino рядом с pin 13, должен погаснуть. Теперь отправим через терминал цифру "1" и светодиод L должен зажечься.

Демонстрация работы:

Домашняя работа:

• Изменить скетч так, что бы светодиод зажигался и потухал с помощью одной и той же команды например "G".
• Дописать скетч и научить его преобразовывать текстовые данные приходящие через блютус в цифровые и реализовать димер, зажигать светодиод с помощью ШИМ, на заданную яркость от 0 до 254 приходящую через bluetooth.

Не будем покупать плохие игрушки у Китайцев, а купим у них дешевый конструктор-шасси, несколько модулей и приложим руки!

Вот что у меня получилось в итоге: проходимое шасси, управляемое - ТА-ДА!!! - с моего смартфона на Андроиде.

«Я и прямо, я и боком,
С поворотом, и с прискоком,
И с разбега, и на месте,
И двумя ногами вместе…»

Сегодня мы соберём забавную машинку с дистанционным управлением по Bluetooth. Исходники программы управления под Android в комплекте.

Достойный образец игрушки

У меня двое детей, дочь и сын. Обоим на дни рождения дарят игрушки. То, что дарят дочери, как правило, не вызывает моих негативных реакций. А сыну, как и полагается, дарят всевозможные машинки, танки и прочую технику. Из всей этой прорвы китайщины у меня не вызывает нареканий только игрушечная бензопила, которую я сам и подарил.

Почему так? Наверное потому что эта пила продавалась в магазине инструментов «STIHL». Как я полагаю, «STIHL» сделал игрушечный аналог своей продукции небольшим рекламным тиражом. В результате появилась на свет вполне вменяемая игрушка, очень похожая на своего старшего брата. Цепь резиновая – крутится, процентов на 80 реализованы органы управления. Есть даже шнур с ручкой для завода пилы, выключатель, кнопка газа. В комплекте есть запасная цепь и инструмент для смены цепи.

Вот такая игрушечная пила

О чём это я? Ах, да, об архитектуре! Это я к тому, что при желании отличную игрушку сделать можно. И есть на что равняться.

Будем строить машинку с ДУ!

Практический и технический интерес вызывают игрушки с радиоуправлением. Однако, ребёнку в возрасте 4-6 лет не будут дарить игрушки со «взрослым» пропорциональным управлением. Скорее всего, игрушка будет сломана, а деньги выкинуты на ветер.
В итоге, обычно дарят что-то недорогое. Из всего этого – «недорогого» - машинки или шибко быстрые или тормозные; танки хилые; и прочие очевидные и скрытые недостатки. И уж конечно никакого пропорционального управления.

В один прекрасный день у одной из машинок перестало вращаться правое колесо. Разобрал, проверил моторчик – исправный.
На плате управления три микросхемы – Китай голимый, вменяемой документации найти не смог. Один чип – приёмник радиосигнала с логическими выходами и два мостовых драйвера двигателей. Один из драйверов вышел из строя. Сваять сходу мостовой драйвер двигателя из дискретных компонентов у меня не получилось.

В местном магазине радиодеталей ничего подходящего не было. Вот я и подался в дальние страны за чудо-микросхемами. Собрал пожитки, набил карманы сухарями, налил чашечку кофе, запустил браузер и пошел… .
Нашел подходящий по параметрам драйвер двигателя, заказал сразу два. На всякий случай, вдруг один будет неисправен или сам спалю. Вот тогда и начала зарождаться мысль о своей машинке. После того, как посылка дошла из славного Китая, я успешно заменил драйвер и машинка была отремонтирована.

Не откладывая в долгий ящик идею о своей машинке, я снова подался для выбора основы - шасси будущей машинки. Шасси бывают разные, для наземного транспорта: гусеничные, колесные, с двумя, тремя, четырьмя колесами и т.п.

Как я выбирал шасси

Во-первых, я выбрал наземный вид транспорта, значит и шасси у меня будет наземное. Гусеничные шасси, как правило, дороже и не слишком быстроходные. Двух-трёх-колесные мне кажутся слабо проходимыми, такое шасси сможет ездить только по ровной поверхности.
Я остановился на . По моему мнению, такое шасси будет обладать отличной проходимостью и скоростью.

В комплекте поставки шасси:
две пластины из акрила с кучей технологических отверстий для крепления все возможных датчиков, плат управления и прочих компонентов
4 колеса
4 привода в сборе (электродвигатель + редуктор)
4 диска с прорезями для датчиков скорости, по одному на каждое колесо
крепеж
Да, это снова Китай. Да, дешёвый. Да, нешибко качественный. НО! Нам бы для начала попробовать. Ведь «взрослое» шасси и стоит по-взрослому, мы до него ещё не доросли.

Болото мыслей и Техзадание

Когда держишь в руках перспективную вещь, например, в плане возможностей по обвесу модели всевозможными датчиками, серво и пр., начинаешь тонуть в болоте мыслей и трясине перспектив. Но, скажем себе - СТОП! И составим себе мини-ТЗ на прототип с кратким описанием всех узлов.
У нас должна получиться RC-модель наземного траспортного средства с управлением по Bluetooth, с возможностью реверса и плавного регулирования скорости вращения колес.

Что нам потребуется для сборки машинки?

.

Поворотные колеса отсутствуют, значит, управление поворотом будет как у гусеничного ТС. То есть, для прямого движения, вперед/назад, правая и левая сторона приводов вращаются с одинаковой скоростью. А для осуществления поворота, скорость вращения на одной из сторон должна быть меньше или больше.

Для дистанционного управления машинкой используем канал Bluetooth. Модуль «HC-06» - это мост Bluetooth, последовательный интерфейс, позволяющий передавать данные в обе стороны. На входе - TTL-сигналы последовательного интерфейса «RxD» и «TxD» для подключения к микроконтроллеру (целевой плате).
В качестве пульта дистанционного управления будет служить сотовый телефон с Android. Напишем свою программу!

Драйвер двухканальный, на левую и правую пару колес. Драйвер имеет логические входы для изменения полярности выхода (направления вращения) и вход ШИМ, можно будет сделать управление скоростью вращения.

Выбрана эта плата т.к. валялась в ящике стола и полностью подходит для нашей цели. Есть дискретные входы/выходы, выведены сигналы МК «RxD» и «TxD», куда будет подключен «HC-06“.
Забегая вперёд скажу, что продукт Олимекс MOD-IO - это жёсткий перебор. Прекрасно можно будет применить и обычную , о чём в продолжении истории!

Итого: шасси + плата управления + Bluetooth-модуль + программа управления под Android.

Общая схема подключения

Не схема в чистом виде, а именно схема подключения, так как все платы у нас уже готовые, и остаётся их соединить между собой.

Схема в Протеусе

Расписывать, что и куда я подключил не буду. Скорее всего у вас будет другая плата управления. Исходники я прикладываю, так что прошивку сможете править. Ну, а если кто-то не в силах скомпилировать прошивку под свою плату, обращайтесь - помогу по мере свободного времени.

Программа микроконтроллера

Программа МК умеет принимать команды по последовательному интерфейсу с Bluetooth-модуля.
И, в соответствии с командами, управлять левой и правой парой приводов. Реверс и управление скоростью работают при помощи ШИМ.

Код в достаточной мере прокомментирован. Хочу отдельно остановиться на моей реализации обмена данными.
Приём данных у меня реализован через кольцевой буфер. Вещь не новая и реализаций много.

Функции кольцевого буфера у меня вынесены в отдельную библиотеку состоящую из:
заголовочного файла ring_buffer.h и файла реализаций функций ring_buffer.с
Для использования библиотеки её нужно подключить в main.c
#include "ring_buffer.h"

Далее, в заголовочном файле необходимо настроить библиотеку. Для настройки необходимо задать всего четыре директивы:
#define RX_PACKET_SIZE 7 // Размер RxD пакета #define BUFFER_SIZE 16 // Размер приёмного буфера. Должен быть в два раза больше RX_PACKET_SIZE #define START_BYTE "s" // Стартовый байт #define STOP_BYTE "e" // Стоповый байт

Собственно настраивать больше нечего.

Использование кода В main.c настраиваем USART микроконтроллера.
Вызываем функцию настройки USART
USART_Init(MYUBRR);

#define BAUD 9600 #define MYUBRR F_CPU/16/BAUD-1 void USART_Init(unsigned int ubrr) { /* Set baud rate */ UBRRH = (unsigned char)(ubrr >> 8); UBRRL = (unsigned char)ubrr; /* Enable receiver and transmitter */ UCSRB = (1 << TXCIE) | (1 << RXCIE)| (1 << TXEN) | (1 << RXEN); /* Set frame format: 8data, 2stop bit */ UCSRC = (1 << URSEL) | (0 << USBS) | (3 << UCSZ0); }

Приём пакета данных

В функции обработчика прерывания приема байта по USART, нам необходимо всего лишь положить принятый байт в кольцевой буфер. Разбор пакета будем делать потом.
ISR(USART_RXC_vect) { uint8_t Data = UDR; RB_push_char(Data); // Складываем принятый байт в кольцевой буфер }
Да, я пока пренебрег всякими проверками фрейма.

Теперь нам остается время от времени проверять наш буфер. Для этого я инициировал таймер, в котором я устанавливаю флаг разрешающий проверку кольцевого буфера
ISR(TIMER0_OVF_vect) { TCNT0 = 0x64; ReadRingBuffer = 1; }

В основном цикле добавляем условие для проверки флага.
if (ReadRingBuffer) { if (RB_read_buffer((uint8_t*)&RxPacket) == 1) Чтение буфера { // Разбираем пакет, делаем что-нибудь } ReadRingBuffer = 0; }

Функция RB_read_buffer проверяет кольцевой буфер, если размер пакета, стартовый и стоповые байты находятся на своих местах - пакет считается валидным, функция возвращает "1». В качестве аргумента, функция принимает указатель, куда складывать принятый пакет.
Для пущей надежности, пакет можно снабдить контрольной суммой, в одном из своих коммерческих проектов я так и сделал. То есть к проверке размера, старт/стопового байтов прибавляется еще проверка контрольной суммы. Но пока обойдемся без неё.

Как я разбираю пакет

Теперь самое интересное, как я разбираю пакет. В пакете могут передаваться данные размерностью больше байта, знаковые данные, данные с плавающей точкой.
Объясню на примере пакета для управления шасси. Кроме стартового и стопового байтов, в своём пакете мне необходимо передавать одну команду, и два значения ШИМ, для левой и правой стороны приводов. Для команды мне достаточно одного байта, а для каждого значения ШИМ, я передаю int16 - 16 бит, знаковый тип. То есть, я не передаю флаг (байт/признак) направления. Для смены направления, я передаю положительное или отрицательное значение ШИМ.

Приёмный пакет у меня организован в виде структуры.
struct RxPacket { uint8_t StartByte; uint8_t Command; int16_t Left_PWM; int16_t Right_PWM; uint8_t StopByte; } RxPacket;

Вызывая функцию RB_read_buffer ((uint8_t*)&RxPacket ) , в качестве аргумента передаем указатель на структуру приёмного пакета. То есть, при принятом пакете, будет все разложено по своим полочкам в структуре RxPacket. Дальше остается прочитать эти данные из структуры например так:
lCmd = RxPacket.Command; lLPWM = RxPacket.Left_PWM; lRPWM = RxPacket.Right_PWM;

Передача пакета данных

Хоть в моей программе передача пока не используется, тем не менее, возможность передачи реализована. Передавать данные проще. Точно также, как и для приемного пакета, создадим структуру:
struct TxPacket { uint8_t StartByte; uint8_t Rc5System; uint8_t Rc5Command; uint8_t StopByte; } TxPacket;

Где, есть стартовый и стоповый байт и информационная часть. Мы уже инициализировали приемник USART.
Для инициирования передачи пакета - вызываем функцию
void send_packet() { // Запись стартового байта в регистр UDR UDR = START_BYTE; }
В данном примере, в этой функции, я записываю только стартовый байт в регистр UDR. Вроде бы немного, но в этой же функции можно реализовать подготовку пакета или еще что-то полезное. И это, на мой взгляд более логично. Логично в плане самодокументирования кода. То есть, если я в коде, просто запишу значение в регистр UDR это может быть воспринято, как передача всего одного байта, а вызывая самоговорящую функцию send_packet () - я говорю о том, что я отправляю пакет данных.

Далее, когда передатчик USART отправит весь байт из регистра UDR - будет вызван обработчик прерывания по передаче.
ISR(USART_TXC_vect) { unsigned char *Pointer = (unsigned char *)&(TxPacket); static unsigned char TxIndex = 1; if (TxIndex < sizeof(TxPacket)) { UDR = *(Pointer + TxIndex); TxIndex++; } else TxIndex = 1; }

В обработчике я объявляю переменную указателя и присваиваю её адрес структуры TxPacket. Далее объявляется статическая переменная - индекс передаваемого байта, которой при объявлении присвоено значение 1 . Начинаем с одного потому, что первый байт из структуры мы уже отправили. В целом, в структуре можно обойтись и без стартового байта, все равно я его отправляю отдельно, но объявления этого байта оставлено в структуре для понимания того как выглядит пакет.

Условие if (TxIndex < sizeof(TxPacket)) проверяет, что индекс меньше чем размер пакета. Если условие верно, то записываем байт в регистр UDR: UDR = *(Pointer + TxIndex);
инкрементируем TxIndex. Когда USART передаст очередной байт, то мы снова попадём в обработчик, но будет передан уже следующий байт из структуры и так будут переданы все байты структуры. Когда TxIndex будет больше чем размер структуры - условие будет не верно и мы попадем в else TxIndex = 1; Где будет проинициализирован TxIndex, но в регистр UDR уже ничего не записывается, соответственно обработчик больше не будет вызван до следующего инициирования передачи пакета. Таким образом, процесс передачи полностью автоматический, и даже, если мы изменим структуру пакета, то обработчик переписывать не придётся.

В рамках описания программы МК осталось рассказать про реализацию управления драйверами. Драйвер управляется тремя сигналами: A1 (B1), A2 (B2) и PWMA (PWMB). A1 и A2 предназначены для включения/выключения драйвера и для изменения полярности выхода. На вход PWMA подается ШИМ сигнал с МК - можно управлять скоростью вращения. Для ШИМ сигнала я задействовал два аппаратных ШИМа таймера 1.
#define _WGM13 0 #define _WGM12 1 #define _WGM11 0 #define _WGM10 1 // Timer 1 init TCCR1A = (1 << COM1A1) | (0 << COM1A0) | (1 << COM1B1) | (0 << COM1B0) | (_WGM11 << WGM11) | (_WGM10 << WGM10); TCCR1B = (0 << CS12) | (0 << CS11) | (1 << CS10) | (_WGM13 << WGM13) | (_WGM12 << WGM12); TCNT1 =0x0000; OCR1A = 0; OCR1B = 0;

Таймер 16-битный, но ШИМ инициализирован на 8 бит. И как вы наверное уже заметили, в приёмном пакете у меня есть два значения для задания ШИМ, для левого и правого привода соответственно. Переменные знаковые 16-битные.
Объясню почему я так сделал.

Во-первых , это пошло от программы под Андроид. Дело в том что в Java нет без знаковых типов и я уже наступал на эти грабли. И для передачи числа от 0 до 255 мне пришлось бы как то извернуться. Я решил пойти более простым путем - отсылаю знаковое 16-бит число. При этом, 16 бит знакового типа это от -32786 до 32768, нам хватит.

Во-вторых , так на мой взгляд более прозрачно - скорость вращения и направления описывается всего одной переменной.

И в-третьих , как не крути, для наших целей меньше чем в три байта не уложиться. Пожертвуем еще одним байтом, зато всё становится понятно, положительное значение ШИМ - прямое вращение, отрицательное значение - обратное вращение.

Для управления приводами я написал функцию drive (int leftPWM, int rightPWM); .
void drive(int leftPWM, int rightPWM) { // Движение ВПЕРЁД левое колесо if (leftPWM > 0){ ClearBit(A2_PORT, A2_PIN); SetBit(A1_PORT, A1_PIN); } // Движение НАЗАД левое колесо if (leftPWM < 0){ ClearBit(A1_PORT, A1_PIN); SetBit(A2_PORT, A2_PIN); } // Движение ВПЕРЁД правое колесо if (rightPWM > 0){ ClearBit(B2_PORT, B2_PIN); SetBit(B1_PORT, B1_PIN); } // Движение НАЗАД правое колесо if (rightPWM < 0){ ClearBit(B1_PORT, B1_PIN); SetBit(B2_PORT, B2_PIN); } // Остановка if (leftPWM == 0){ ClearBit(A1_PORT, A1_PIN); ClearBit(A2_PORT, A2_PIN); } // Остановка if (rightPWM == 0){ ClearBit(B1_PORT, B1_PIN); ClearBit(B2_PORT, B2_PIN); } set_PWM((uint8_t)(abs(leftPWM)), (uint8_t)(abs(rightPWM))); }
В соответствии со значением ШИМ, осуществляется управление сигналами A1 (B1), A2 (B2) и устанавливается значение ШИМ вызовом функции set_PWM (leftPWM, rightPWM) .

Уфф, выдохся…
Подытожим: приняли пакет, разобрали, передали значение ШИМ в функцию drive .

Приложение под Android для машинки

Нет, так подробно, как программу для МК я разбирать не буду. В разработке ПО под Android я ещё новичок и не готов рассказывать достаточно компетентно и глубоко.

Основная функция программы - передача данных модулю HC-06 по каналу Bluetooth. Программа имеет не замысловатый интерфейс.

Сверху выпадающий список спаренных Bluetooth устройств для выбора модуля. Сначала этого списка не было, но уже под конец работы над статьёй решил сделать по-человечески, ведь не все смогут разобраться в исходниках.

Дальше кнопка «Выкл» - включает/отключает связь с «HC-06». Ниже слева направо: передаваемое значение ШИМ левого канала, тип датчика, значение правого канала. Ниже два слайдера регулировки чувствительности скорости и поворота.

В программе реализовано два типа управления машинкой. Для переключение типа датчика нужно коснуться надписи названия датчика: «Наклон» или «Шаркать».

1. Управление машинкой с помощью наклона телефона. Нулевое положение телефона - горизонтальное. При наклоне телефона вперед значение ШИМ увеличивается пропорционально наклону в диапазоне от 0 до 255 . При наклоне телефона назад значение ШИМ уменьшается пропорционально наклону в диапазоне от 0 до -255

Что бы повернуть влево или вправо - нужно наклонить телефон вперед или назад и, одновременно, влево или вправо соответственно. Да, как в настоящей машине, пока не поддашь газку поворот не осуществляется.

2. Управление касанием. Моё фирменное название для такого управления - «шаркать».

Можно воспринимать как тачпад. При касании в сером квадрате, значение ШИМ увеличивается/уменьшается в зависимости от места касания, чем дальше от центра вниз или вверх тем больше/меньше значение.

Никаких «красивостей» и наворотов нет. Вот вроде бы и всё.

Немножко дёгтя на «лыжи»

Есть косяк у моего телефона. Ага, телефон «лыжа» - LG G2 mini. На нём соединение по Bluetooth устанавливается неадекватно. Соединение устанавливается нормально только, если Bluetooth был включен непосредственно перед запуском приложения.
Я сделал так: при запуске приложении проверяю включен ли Bluetooth, если выключен - делаю запрос на включении. А при «сворачивании», закрытии приложения - принудительно выключаю Bluetooth.
И еще один момент, при смене ориентации экрана, Bluetooth выключается и снова выдается запрос на включения, приходится выключать автоматическое переключение разворота экрана.

Резюме

Я считаю, что достиг цели! При не очень больших усилиях я создал RC-модель с вменяемым пропорциональным управлением. Машинкой можно с увлечением играть даже взрослому, делая развороты на месте, выписывая сложные пируэты, притормаживая и ускоряясь при необходимости.
И её легко починить при поломке.

Есть еще поле для деятельности, есть куда расти. Можно «наворачивать» шасси, можно модернизировать и улучшать ПО для телефона.
И об этом будет продолжение!

Там же находятся исходники для Android и другая полезная информация. В этой статье я покажу сборку CxemCAR для платформы Arduino. В качестве платы Arduino можно использовать практически любую Arduino-совместимую плату: UNO, Nano, Mega, Leonardo и даже на основе STM32 - Arduino DUE. Я использовал платку Arduino Nano V3, приобретенную на eBay за 9$.

Схема подключения Arduino к Bluetooth модулю HC-06 и драйверу двигателей L298N:

В схеме я использовал джампер (на схеме Jmp1), т.к. при подключенном Bluetooth модуле невозможно было загрузить скетч в Arduino. На время прошивки, снятием перемычки обесточивается Bluetooth-модуль.

В качестве платформы я использовал небольшую RC DIY платформу, купленную на за 25$. Сама платформа представляет из себя алюминиевое основание, куда крепится два двигателя, редуктор и 4 карданные передачи для 4-х колес. Сверху, на 3-х стойках ставится макетная плата.

Платформа не отличается высоким качеством изготовления. После того, как я ее собрал, попробовал подключить питание - двигателя даже не шевельнулись, много перекосов, недоработок и т.п. Пришлось все разбирать, немного ослабить крепления, кое-где подточить, хорошо все промазать смазкой, а также снял 2 кардана с передней оси. Получилась заднеприводная версия машинки.

После этого, я припаял Bluetooth-модуль к Arduino и вывел для него светодиод состояния. О разновидностях Bluetooth модулей, их подключении к Arduino, работы с ними и т.п. можете почитать в данной статье: . Модуль HC-06 поместил в термоусадочную трубку 10мм. Светодиод Bluetooth-состояния с токоограничительным резистором также были помещены в термоусадку, но более тонкую - 5мм.

В макетной плате, которая шла вместе с платформой, я просверлил отверстия и закрепил драйвер двигателей L298N. Плату Arduino прикрепил при помощи двухстороннего скотча.

Между алюминиевой платформой машинки и макетной платой я разместил 3 Li-Po аккумулятора 3.7В 1100 мА*Ч. Питание контроллера и двигателей раздельное: Arduino запитывается от одного аккумулятора 3.7В, а моторчики и драйвер L298N от двух последовательно соединенных аккумуляторов 3.7В. Предусмотрено два 2-х позиционных выключателя питания - в одном положение питание идет от аккумуляторов к потребителям, в другом положении на клеммы зарядки.

Фото машинки на подзарядке:

Программное обеспечение

Программа писалась в среде Arduino IDE 1.01. Код программы я постарался хорошо прокомментировать, но если будут вопросы - спрашивайте на форуме, в .

#include "EEPROM.h" #define D1 2 // направление вращение двигателя 1 #define M1 3 // ШИМ вывод для управления двигателем 1 (левый) #define D2 4 // направление вращение двигателя 2 #define M2 5 // направление вращение двигателя 2 (правый) #define HORN 13 // доп. канал 1 подключен к 13 пину //#define autoOFF 2500 // кол-во миллисекунд через которое робот останавливается при потери связи #define cmdL "L" // команда UART для левого двигателя #define cmdR "R" // команда UART для правого двигателя #define cmdH "H" // команда UART для доп. канала 1 (к примеру сигнал Horn) #define cmdF "F" // команда UART для работы с EEPROM памятью МК для хранения настроек #define cmdr "r" // команда UART для работы с EEPROM памятью МК для хранения настроек (чтение) #define cmdw "w" // команда UART для работы с EEPROM памятью МК для хранения настроек (запись) char incomingByte; // входящие данные char L_Data; // строковый массив для данных левого мотора L byte L_index = 0; // индекс массива char R_Data; // строковый массив для данных правого мотора R byte R_index = 0; // индекс массива char H_Data; // строковый массив для доп. канала byte H_index = 0; // индекс массива H char F_Data; // строковый массив данных для работы с EEPROM byte F_index = 0; // индекс массива F char command; // команда: передача координат R, L или конец строки unsigned long currentTime, lastTimeCommand, autoOFF; void setup() { Serial.begin(9600); // инициализация порта pinMode(HORN, OUTPUT); // дополнительный канал pinMode(D1, OUTPUT); // выход для задания направления вращения двигателя pinMode(D2, OUTPUT); // выход для задания направления вращения двигателя /*EEPROM.write(0,255); EEPROM.write(1,255); EEPROM.write(2,255); EEPROM.write(3,255);*/ timer_init(); // инициализируем программный таймер } void timer_init() { uint8_t sw_autoOFF = EEPROM.read(0); // считываем с EEPROM параметр "включена ли ф-ия остановки машинки при потере связи" if(sw_autoOFF == "1"){ // если таймер останова включен char var_Data; var_Data = EEPROM.read(1); var_Data = EEPROM.read(2); var_Data = EEPROM.read(3); autoOFF = atoi(var_Data)*100; // переменная автовыкл. для хранения кол-ва мс } else if(sw_autoOFF == "0"){ autoOFF = 999999; } else if(sw_autoOFF == 255){ autoOFF = 2500; // если в EEPROM ничего не записано, то по умолчанию 2.5 сек } currentTime = millis(); // считываем время, прошедшее с момента запуска программы } void loop() { if (Serial.available() > 0) { // если пришли UART данные incomingByte = Serial.read(); // считываем байт if(incomingByte == cmdL) { // если пришли данные для мотора L command = cmdL; // текущая команда memset(L_Data,0,sizeof(L_Data)); // очистка массива L_index = 0; // сброс индекса массива } else if(incomingByte == cmdR) { // если пришли данные для мотора R command = cmdR; memset(R_Data,0,sizeof(R_Data)); R_index = 0; } else if(incomingByte == cmdH) { // если пришли данные для доп. канала 1 command = cmdH; memset(H_Data,0,sizeof(H_Data)); H_index = 0; } else if(incomingByte == cmdF) { // если пришли данные для работы с памятью command = cmdF; memset(F_Data,0,sizeof(F_Data)); F_index = 0; } else if(incomingByte == "\r") command = "e"; // конец строки else if(incomingByte == "\t") command = "t"; // конец строки для команд работы с памятью if(command == cmdL && incomingByte != cmdL){ L_Data = incomingByte; // сохраняем каждый принятый байт в массив L_index++; // увеличиваем текущий индекс массива } else if(command == cmdR && incomingByte != cmdR){ R_Data = incomingByte; R_index++; } else if(command == cmdH && incomingByte != cmdH){ H_Data = incomingByte; H_index++; } else if(command == cmdF && incomingByte != cmdF){ F_Data = incomingByte; F_index++; } else if(command == "e"){ // если приняли конец строки Control4WD(atoi(L_Data),atoi(R_Data),atoi(H_Data)); delay(10); } else if(command == "t"){ // если приняли конец строки для работы с памятью Flash_Op(F_Data,F_Data,F_Data,F_Data,F_Data); } lastTimeCommand = millis(); // считываем текущее время, прошедшее с момента запуска программы } if(millis() >= (lastTimeCommand + autoOFF)){ // сравниваем текущий таймер с переменной lastTimeCommand + autoOFF Control4WD(0,0,0); // останавливаем машинку } } void Control4WD(int mLeft, int mRight, uint8_t Horn){ bool directionL, directionR; // направление вращение для L298N byte valueL, valueR; // значение ШИМ M1, M2 (0-255) if(mLeft > 0){ valueL = mLeft; directionL = 0; } else if(mLeft < 0){ valueL = 255 - abs(mLeft); directionL = 1; } else { directionL = 0; valueL = 0; } if(mRight > 0){ valueR = mRight; directionR = 0; } else if(mRight < 0){ valueR = 255 - abs(mRight); directionR = 1; } else { directionR = 0; valueR = 0; } analogWrite(M1, valueL); // задаем скорость вращения для L analogWrite(M2, valueR); // задаем скорость вращения для R digitalWrite(D1, directionL); // задаем направление вращения для L digitalWrite(D2, directionR); // задаем направление вращения для R digitalWrite(HORN, Horn); // дополнительный канал } void Flash_Op(char FCMD, uint8_t z1, uint8_t z2, uint8_t z3, uint8_t z4){ if(FCMD == cmdr){ // если команда чтения EEPROM данных Serial.print("FData:"); // посылаем данные с EEPROM Serial.write(EEPROM.read(0)); // считываем значение ячейки памяти с 0 адресом и выводим в UART Serial.write(EEPROM.read(1)); Serial.write(EEPROM.read(2)); Serial.write(EEPROM.read(3)); Serial.print("\r\n"); // маркер конца передачи EEPROM данных } else if(FCMD == cmdw){ // если команда записи EEPROM данных EEPROM.write(0,z1); // запись z1 в ячейку памяти с адресом 0 EEPROM.write(1,z2); EEPROM.write(2,z3); EEPROM.write(3,z4); timer_init(); // переинициализируем таймер Serial.print("FWOK\r\n"); // посылаем сообщение, что данные успешно записаны } }

В коде используется библиотека для работы с EEPROM памятью AVR. В памяти хранится одна настройка: количество миллисекунд через которое машинка останавливается при потери связи. Можно эту настройку "жестко" прописать в программе, для этого раскомментируйте строчку #define autoOFF 2500 (где 2500 кол-во миллисекунд). После этого, функцию Flash_Op можно удалить, также необходимо будет внести небольшие правки в код, отвечающий за прием команд для работы с EEPROM-памятью.

Это первый роботизированный проект, который я когда-либо делал, и если вы никогда не пробовали собрать робота, то, скорее всего, думаете что это сложно. Но Ардуино и шасси 2WD / 4WD сделают вашу сборку намного проще, и вы соберете своего первого робота с радиоуправлением на Ардуино без каких-либо мучений.

По пути ко мне пришла идея о создании радиоуправляемой машины своими руками, которая бы объезжала препятствия, поэтому я собрал и этот проект, видео и файл программы к которому прикладываю ниже.

Файлы

Шаг 1: Нужные части и инструмент

Я воспользовался готовыми решениями, и все запчасти и инструменты были приобретены через интернет.

Запчасти:

1. Набор шасси 4WD для робота (GearBest)
2. Arduino Nano (GearBest)
3. Модуль H-моста LM298 (GearBest)
4. Модуль bluetooth HC-06 (Amazon)
5. Литий-ионные батарейки 2 x 18650 (GearBest)
6. Отсек для батареек 2x 18650 (GearBest)
7. Небольшая макетная плата (GearBest)
8. Провода сечением 0.5 мм2
9. Провода с джамперами папа-мама (Amazon)
10. Провода с джамперами мама-мама (Amazon)
11. Малярная лента, изолента или что-то подобное (Amazon)

Для робота, объезжающего препятствия:

Ультразвуковой модуль измерения расстояния HC — SR04 (GearBest)

Необходимый инструмент:

1. Паяльник (Amazon)
2. Кусачки (Amazon)
3. Стриппер для провод (GearBest)
4. Клеевой пистолет (GearBest)

Шаг 2: Что такое робот?

Робот – это электромеханическое устройство, которое способно каким-либо образом реагировать на окружающую обстановку и принимать самостоятельные решения или действия, чтобы достичь определенных целей.

Робот состоит из следующих компонентов:

1. Структура / Шасси
2. Привод / Мотор
3. Контроллер
4. Вводные устройства / Датчики
5. Источник питания

В следующих шагах я опишу каждый из этих компонентов, и вы всё легко поймёте.

Шаг 3: Структура / Шасси

Структура состоит из физических компонентов. Робот имеет один или несколько физических компонентов, которые каким-либо образом двигаются для выполнения задания. В нашем случае структура робота – это шасси и колёса.

Шаг 4: Приводы

Под приводом можно понимать устройство, которое преобразовывает энергию (в робототехнике под энергией понимается электрическая энергия) в физическое движение. Большинство приводов производят вращательное или линейное движение.

В нашем случае привод – это DC-мотор, скорость которого равна 3000 оборотам в минуту, а вращающий момент 0.002 Н м. Теперь добавим к нему шестерню с передаточным числом 1:48. Новая скорость уменьшается на коэффициент 48 (в результате давая 3000/44 = 68 оборотов в минуту) и вращающий момент увеличивается на коэффициент 48 (в результате давая 0.002 x 48 = 0.096 Н м).

Шаг 5: Подготавливаем клеммы моторчиков

Отрежьте по 4 провода красного и черного цвета длиной примерно 12-15 см. Я использовал провода сечением 0.5 мм2. Оголите концы проводов. Припаяйте провода к клеммам моторчиков.

Вы можете проверить полярность моторчиков, соединив их с отсеком для батареек. Если он движется в прямом направлении (с красным проводом на позитивной и черным на негативной клеммах батареек), то с соединением все в порядке.

Шаг 6: Устанавливаем мотор

Прикрепите две акриловые распорки к каждому мотору при помощи двух длинных болтов и двух гаек. Для наглядности вы можете посмотреть видео .

Возьмите на заметку, что провода на каждом моторе ведут к центру шасси. Соедините оба красных и оба черных провода от моторов с каждой стороны шасси. После соединения у вас будет две клеммы на левой стороне и две на правой.

Шаг 7: Устанавливаем крышу

Послу установки 4 моторов нужно установить крышу. Приладьте 6 медных стоек при помощи гаек, клеммы проводов выведите сквозь отверстие в крыше.

Шаг 8: Контроллер

Теперь у нас установлены шасси и приводы, но нам не хватает контроллера. Шасси без контроллера никуда не поедут. Робот будет оставаться на месте, оставаясь безжизненным. Поэтому, для того чтобы робот перемещался, нам нужен мозг (контроллер).

Контроллер – программируемое устройство, способное работать по заданной программе и отвечающее за все вычисления, принятие решений и коммуникацию. В нашем случае в качестве контроллера мы используем микроконтроллер Ардуино Нано.

Контроллер принимает входные данные (с датчиков, удалённо и т.д.), обрабатывает их и затем даёт команду приводам (моторам) выполнить выбранное задание.

Если вы подключите позитивный провод от батарей на одну строну моторчика, затем подключите негативный провод от батарей на другой контакт моторчика, то он начнёт крутиться вперёд. Если вы поменяете провода местами, то мотор начнёт вращаться в другую сторону.

Микроконтроллер можно использовать, чтобы вращать мотор в одном направлении, но если вам хочется с помощью микроконтроллера вращать мотор и вперёд, и назад, то вам нужна дополнительная схема – H-мост. В следующем шаге я объясню, что это такое.

Шаг 9: Н-мост (модуль LM 298)

Что такое Н-мост?

Термин Н-мост произошел от типичного графического представления этой схемы. Это схема, которая может вращать мотор как в прямом, так и в обратном направлении.

Принцип работы:
Посмотрите приложенную картинку для понимания принципа работы схемы Н-моста. Мост состоит из 4 электронных выключателей S1, S2, S3, S4 (транзисторы / MOSFET/ IGBTS).

Когда выключатели S1 и S4 закрыты, а остальные два открыты, положительное напряжение будет проходить через мотор, и он будет вращаться в прямом направлении. Таким же образом, когда закрыты выключатели S2 и S3, а S1 и S4 открыты, обратное напряжение будет даваться на мотор и он начнёт вращаться в обратном направлении.

Заметка: выключатели на одной руке (то есть S1, S2 или S3, S4) никогда не закрываются одновременно – это создаст короткое замыкание.

Н-мосты доступны в виде интегральных схем, либо можно собрать свой мост при помощи 4 транзисторов или MOSFET. В моём случае используется интегральная схема Н-моста LM298, которая позволяет управлять скоростью и направлением моторов.

Описание распиновки:

Out 1: DC мотор 1 «+» или шаговый двигатель A+
Out 2: DC мотор 1 «-» или шаговый двигатель A-
Out 3: DC мотор 2 «+» или шаговый двигатель B+
Out 4: вывод мотора B
12v: вход 12V, но можно использовать от 7 до 35V
GND: Земля
5v: выход 5V, если джампер 12V стоит на месте, идеально для питания Arduino (и т.п.)
EnA: позволяет получать сигналы PWM для мотора A (Пожалуйста, прочитайте секцию «Arduino Sketch Considerations»)
IN1: включает мотор A
IN2: включает мотор A
IN3: включает мотор B
IN4: включает мотор B
BEnB: позволяет получать сигналы PWM для мотора B (Пожалуйста, прочитайте секцию «Arduino Sketch Considerations»)

Шаг 10: Входы / Датчики

В отличие от людей, роботы не ограничены лишь зрением, звуком, осязанием, обонянием и вкусом. Роботы используют различные датчики для взаимодействия с внешним миром.

Датчик – это устройство, которое выявляет и отвечает на определенные типы входящей информации из окружающего мира. Этой информацией может быть свет, тепло, движение, влажность, давление или любое другое явление окружающей среды.

Входящие сигналы могут идти от датчиков, удалённо, или со смартфона. В этом руководстве я использую смартфон в качестве девайса, отправляющего сигналы, управляющие роботом.

Шаг 11: Источник питания

Чтобы управлять приводами (моторами) и питать контроллер, роботу нужен источник питания. Большинство роботов питается от батарей. Когда мы говорим о батареях, то имеем в виду множество вариантов:

1. Алкалиновые батарейки AA (не заряжаются)
2. Никель-металгидридные или никель-кадмиевые батарейки AA (заряжаются)
3. Литий-ионные батареи
4. Литий-полимерные батареи

В зависимости от ваших нужд, нужно выбрать подходящий вид батарей. По-моему мнению, нужно всегда выбирать заряжаемые батареи достаточной ёмкости. Я использовал 2 литий-ионные батареи стандарта 18650 ёмкостью 2600mAh. Если для автономности вам нужно больше мощности, используйте большой комплект батарей, например 5A turnigy.

Отсек для батарей:
Отсек для батарей я заказал в Китае, он не подходил для батарей с плоским верхом, поэтому я использовал два неодимовых магнита для придания батарейкам нужной формы.

Зарядка:
Для зарядки батарей нужен хороший зарядник. По моему опыту, эти зарядники хорошо зарекомендовали себя:

1. PowerEx AA Charger-Analyzer (Amazon)
2. XTAR LiIon Battery Charger (Amazon)
3. Turnigy LiPo Battery Charger (Amazon)

Шаг 12: Установка компонентов

Цельная схема устанавливается на крыше. Отсек для батарей, драйвер двигателей LM 298 и маленькую макетную плату я закрепил горячим клеем, но можно просто прикрутить их. Модуль bluetooth закрепляется скотчем. Ардуино нано вставьте в макетную плату.

Шаг 13: Электропроводка

Для соединения модулей понадобятся провода с джамперами.
Соедините красные провода двух моторов вместе (на каждой стороне) и затем черные провода. В итоге у вас выйдет по две клеммы с каждой стороны.

MOTORA отвечает за два правых мотора, соответственно два левых мотора соединены с MOTORB.
Для соединения всех компонентов следуйте инструкции:

Соединение моторов:

Out1 -> красный провод левостороннего мотора (+)
Out2 -> черный провод левостороннего мотора (—)
Out3 -> красный провод правостороннего мотора (+)
Out4 -> черный провод правостороннего мотора (—)
LM298 — > Arduino
IN1 -> D5
IN2-> D6
IN2 ->D9
IN2-> D10
Модуль Bluetooth -> Arduino
Rx-> Tx
Tx ->Rx
GND -> GND
Vcc -> 3.3V
Питание
12V — > красный провод батарей
GND -> черный провод батарей и пин GND на Arduino
5V -> соедините с пином 5V Arduino

Шаг 14: Логика управления

Чтобы понять принцип работы, я создал эту логическую таблицу. Она очень пригождается во время написания кода.

Шаг 16: Тестирование

Чтобы проверить робота-машину, я положил её на маленькую картонную коробку. Таким образом, колёса будут крутиться, но машинка будет оставаться на месте. Проверьте работоспособность, нажимая все доступные кнопки. Если всё работает, то можно по-настоящему управлять ей.

Заметка: если моторы вращаются в противоположном направлении, то просто поменяйте местами провода.

Шаг 17: Планы на будущее

В этом руководстве я объяснил, как создать простенькую машинку. Дальше я хочу добавить в неё некоторые улучшения. Вы можете присоединить к ней различные датчики, вот некоторые идеи:

1. Добавление ультразвукового датчика для объезда препятствий
2. Использование модуля WiFi, например ESP8266 или Node MCU вместо Bluetooth, для удлинения дистанции управления.
3. Добавление солнечной панели для зарядки батарей.

Что нам понадобится:

1. Шасси для робота, =9,50$
2. Драйвер двигателя, =1,22$
3. Датчик, который будет определять препятствие, я остановился на самом популярном и дешевом варианте =0,94$
Однако, никто не мешает воспользоваться более дорогими или чем-то подобным
4. Крепление датчика, не самый лучший, но жизнеспособный вариант. =1,08$
В качестве аналогов: , еще существует неуловимый желтый, наиболее прошаренный, но ссылку так и не нашел. Кто будет искать на вид он похож на синий, но имеет нормальные отверстия под винт м3 и 4 шурупа для крепления дальномера.
5. Плата arduino, которая будет обрабатывать данные с датчика и выдавать решение, куда ехать дальше. Остановился на , как на самой удобной для моделирования на «лету» =5.88$
Эта плата выбрана из-за возможности заменить микроконтроллер в случае фатальной неудачи, так что можно купить версию

Итого я потратил примерно 19$ на самое основное

!!! терминалы, разъемы, клещи можно заменить

вышеперечисленное мне понадобится позже и не раз, не обязательно так разгоняться

Парочка фото на закуску

Провода и терминалы


Стойки, болты, гайки, шайбы

Сборка

Переходим к самому интересному - к созданию Франкенштейна!
Первым делом сверлим в синем кронштейне отверстие под болт м3, потому как иного варианта крепления я не нашел


на термоклей сажаем дальномер.


Собираем шасси и крепим наш датчик. Чтобы он располагался как можно ниже, пришлось закрепить его не сразу на шасси, а с помощью стойки опустить на несколько сантиметров вниз. Нижний край кронштейна получился на одном уровне с моторами.

Крепим драйвер двигателя, подключаем моторы.

Приспосабливаем повербанк вместо батарейного отсека.
Для этого делаем два отверстия под винты м3 для крепления на шасси, припаиваем два проводка "+" и "-" к USB на плате и выводим провода через еще одно просверленное отверстие. К сожалению у меня не было под руками подходящего выключателя, так что эту функцию будет выполнять отключение проводков от ардуины. Далее крепим это дело на шасси.

Ставим ардуину, подключаем провода




Удобно, что заряжается аккумулятор через повербанк.

Вставляем аккумулятор прошиваем (воспользовался средой atmel studio 6), переворачиваем, чтобы не убежала, и тестируем, что получилось.

На первый взгляд все норм, если появляется препятствие машинка отворачивает в сторону, проверяет наличие препятствия и в случае повторного обнаружения поворачивает в другую сторону. Что получилось на практике: препятствия обнаруживает на ура, поворачивает неплохо, опытным путем поставил нужные задержки, но практически не способна ехать по прямой из-за заднего направляющего колеса. Скорее всего это мне попался такой «тугой» вариант, но из-за этого машинка всегда едет по диагонали, мелочь, а неприятно.

Подведем итоги

Для начала, тем, кто решит делать что-то подобное, стоит обратить внимание на шасси с четырьмя моторами. Такой шаг, в теории, исключит вероятность движения по дуге, но может добавить головной боли при подборе драйвера двигателя. Но не спешите ломать голову, можно оставить этот, все должно отлично работать, по токам проходит впритык - два мотора на канал. А вот однобаночного повербанка не хватит точно. На мой взгляд это уже повод рискнуть. Так же придется покупать шайбы, т.к. при креплении к пластмассе могут быть неприятные вещи. Еще было бы отлично разделить питание ардуины и моторов, либо воспользоваться стабилизатором, на худой конец впаять конденсатор большой емкости, но это для истинных ценителей, у меня работает и так. На практике я уложился в цену примерно 2000 руб, можно было и дешевле, но это была моя зарядка для ума и первый опыт в программировании (для чего собственно все и затевалось), особо экономить не стал. Появится время прикручу радиоуправление и выключатель.

P.S. Проблему движения по дуге решала замена моторов, спасибо за совет. При покупке шасси не спешите подтверждать, сначала испытайте его в деле. Больше косяков нет, все работает.