Robô de auto-equilíbrio: 6 etapas (com fotos)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-23 15:03

Neste Instructable, mostraremos como construir o robô de auto-equilíbrio que fizemos como um projeto escolar. É baseado em alguns outros robôs, como o nBot e outro Instructable. O robô pode ser controlado a partir de um smartphone Android por meio de uma conexão Bluetooth. Como este Instructable cobre apenas o processo de construção, também escrevemos um documento para cobrir o histórico técnico do código e da eletrônica. Ele também contém links para as fontes que foram usadas, para que você possa dar uma olhada neles se o documento não for abrangente o suficiente para você.

Para seguir todas as etapas deste projeto, você precisará de algumas habilidades de impressão 3D ou de alguma outra maneira inteligente de prender as rodas aos motores.

Etapa 1: Requisitos

O robô é baseado em uma placa controladora de cardan sem escova Martinez. Existem algumas pequenas variações desta placa, mas contanto que você tenha uma com um chip ATmega328 e controladores de motor L6234, você estará bem. Se você pesquisar por “placa Martinez” no Imagens do Google, verá que existem algumas placas com um conector fácil para o chip IMU e / ou bateria, em vez de pinos ou orifícios. No último caso, será útil se você solicitar um pacote de pinos de cabeçalho, que você pode soldar nos orifícios.

Lista de peças

Alguns dos itens desta lista contêm links para lojas virtuais.

• Controlador: Martinez BoardDX.com (também vem com o IMU e alguns pinos de cabeçalho).
• IMU: MPU6050
• Bateria (bateria 3S LiPo 450 mAh) Observação: você também precisará de um carregador LiPo 3S eBay.com
• 2x Motor: Motor sem escova 2208, KV100DX.com
• Rodas (você pode obtê-las em brinquedos existentes ou LEGO)
• 6x parafuso M2 5 mm
• Parafuso 8x M3 (o comprimento depende do material para o seu exterior, um precisa ser extra longo)
• Chip Bluetooth HC-05 (certifique-se de obter um com uma placa de interface serial conectada, não apenas um chip vazio) IMPORTANTE: Certifique-se de que o chip tenha um pino identificado como KEY.
• Fios: DuPont fêmea para fêmea Comprar um pacote de 20 fios será mais do que suficiente
• fita de velcro
• Cabo USB para conectar o controlador ao PC
• Opcional: Cabeçalho pinsDX.com (você pode cortar ou quebrar no comprimento desejado)
• Arruelas e espaçadores de plástico

Finalmente, você precisa de um pouco de acrílico, madeira ou papelão - acompanhado de cola ou fita - para criar uma estrutura que segure todos os componentes.

Etapa 2: configuração do chip Bluetooth

Depois de obter todas as peças, é hora de configurar o chip Bluetooth. Você precisará de um cabo USB para conectar a placa controladora ao seu computador, bem como o IDE do Arduino para se comunicar com os componentes.

Para isso, você precisará fazer o download do arquivo:

HC-05_Serial_Interface.ino

Em seguida, siga estas etapas:

1. Conecte o controlador ao seu computador com um cabo USB.
2. Abra o arquivo.ino com o Arduino IDE.
3. No IDE, vá para Ferramentas, Placa e verifique se está definido como Arduino / Genuino Uno.
4. Agora vá para Ferramentas, Porta e configure-o para a porta COM à qual o controlador está conectado. Normalmente, há apenas uma porta. Se houver vários, verifique o Gerenciador de dispositivos (no Windows) para descobrir qual é o controlador.
5. Agora, clique no botão Upload no IDE e aguarde o upload terminar. Em seguida, desconecte o cabo USB do computador ou do controlador.

Depois de fazer isso, conecte o HC-05 usando cabos DuPont da seguinte maneira:

Controlador HC-05

CHAVE + 5V GND GND TXD RX RXD TX

Agora conecte o cabo USB novamente e, em seguida, conecte o pino VCC do HC-05 a outro + 5V no controlador. O LED deve piscar com um intervalo de aproximadamente 1 segundo.

No IDE do Arduino, selecione a porta COM correta e vá para Ferramentas, Monitor serial.

Defina a opção Fim da linha no Monitor serial para NL e CR. Defina a taxa Baud para 38400. Agora você pode usar o Monitor Serial para enviar comandos de configuração para o chip Bluetooth. Estes são os comandos:

AT Verifique a conexão

AT + NAME Obter / definir o nome de exibição do Bluetooth AT + UART Obter / definir a taxa de transmissão AT + ORGL Redefinir os padrões de fábrica AT + PSWD Obter / definir a senha do Bluetooth

Para alterar o nome, a senha e a taxa de transmissão do dispositivo Bluetooth, envie os seguintes comandos:

AT + NAME = "Exemplo de nome"

AT + PSWD = "PassWord123" AT + UART = "230400, 1, 0"

As opções de Nome e Senha podem ser definidas como você quiser, apenas certifique-se de definir a taxa de transmissão usando exatamente o mesmo comando listado acima. Isso o define para 230400 baud, com 1 bit de parada e sem paridade. Depois de configurar tudo, reconecte o cabo USB (para sair do modo de configuração) e tente emparelhar o telefone com o chip. Se tudo funcionar, desconecte o cabo USB e passe para a próxima etapa.

Etapa 3: Prendendo as rodas aos motores

As rodas que foram usadas neste projeto têm uma origem desconhecida (elas estavam colocadas em uma gaveta com um monte de outras coisas). Para prender as rodas aos motores, imprimimos em 3D uma peça que correspondia aos orifícios dos parafusos nos motores. As peças foram aparafusadas com três parafusos 2M de 5 mm por motor. Ambas as peças possuem um pino que se encaixa nos orifícios dos eixos das rodas.

O modelo SolidWorks está incluído. Você provavelmente terá que modificá-lo para suas rodas ou encontrar uma solução prática diferente para encaixar as rodas. Por exemplo, você pode usar uma Dremel para fazer um orifício do mesmo tamanho que o motor (ou um pouco menor para dar um ajuste confortável) e, em seguida, pressionar o motor no volante. Apenas certifique-se de obter as rodas adequadas para este trabalho se estiver planejando fazer isso.

Etapa 4: Criando o Exterior

Para o exterior, foram utilizadas duas peças de madeira cortadas no mesmo formato. Para começar, marcamos a circunferência do motor na parte central inferior da peça. Em seguida, marcamos cada canto com uma linha de 45 graus, certificando-se de deixar espaço suficiente para o motor se sentar na parte inferior central. Em seguida, prendemos os dois pedaços de madeira e serramos os cantos. Para finalizar, lixamos os cantos para torná-los menos afiados e remover farpas.

Agora é hora de fazer furos para os parafusos e o eixo que está saliente na parte de trás do motor. Se você prender os pedaços de madeira juntos durante a perfuração, precisará fazer cada furo apenas uma vez.

Para criar o layout dos orifícios dos parafusos, usamos um pedaço de papel e colocamos na parte de trás do motor e usamos um lápis para pressionar nos orifícios dos parafusos, através do papel. O pedaço de papel com os quatro orifícios dos parafusos foi então colocado na madeira para que pudéssemos marcar a localização dos orifícios a serem perfurados. Para fazer os furos, use uma broca de 3,5 mm. Agora, use um lápis e uma régua para encontrar o centro desses furos e crie o furo para o eixo usando uma broca de 5 mm. Prenda os motores com parafusos M3, mas deixe um dos parafusos mais espaçados fora de um motor.

Para colocar o conector do motor e o fio dentro do robô, também perfuramos um orifício de 8 mm um pouco acima do motor. Certifique-se de que haja espaço suficiente para os fios dobrarem sem forçá-los muito.

É importante trabalhar o mais preciso possível para criar um exterior simétrico (quase) perfeito

Etapa 5: encaixando os componentes

Marque uma linha de orientação central vertical na madeira para que você possa colocar os componentes no centro. Você pode prender tudo na madeira usando fita velcro. Em nosso robô, usamos pequenos parafusos e porcas para prender a placa do controlador, mas você também pode usar fita velcro (ainda não tínhamos no momento em que instalamos o controlador). Certifique-se de conectar um cabo USB após terminar a construção.

Colocamos o controlador no centro com a porta USB apontando para baixo, para que pudéssemos conectar o cabo entre as rodas. Você também pode apontá-lo para um dos lados.

Coloque a bateria o mais alto possível, para que o robô fique pesado. Coloque também a porta de carregamento em um local de fácil acesso próximo à borda.

Chip bluetooth

Conecte o pino VCC do chip Bluetooth a + 5V no controlador e o GND do Bluetooth ao GND do controlador. O pino TXD do controlador vai para o RX do Bluetooth e o pino RXD do controlador vai para o pino TX do Bluetooth. Em seguida, basta colar o chip Bluetooth em algum lugar do painel de madeira usando fita velcro.

Chip de movimento

O chip de movimento tem dois orifícios para parafusos, por isso prendemos o chip usando um espaçador, de forma que o centro do chip caia sobre o centro do motor. A orientação não importa, pois o robô se calibra ao inicializar. Certifique-se de usar uma arruela de plástico sob a cabeça do parafuso para evitar curto-circuito.

Em seguida, use os fios DuPont para conectar os pinos ao controlador. Cada pino é rotulado da mesma forma no controlador e no chip de movimento, portanto, conectá-lo é bastante autoexplicativo.

Interruptor de energia

Conectar um botão liga / desliga é fácil. Pegamos um de um dispositivo antigo e retiramos a solda de sua placa de circuito. Para usá-lo como uma chave liga / desliga para o robô, você conecta o fio positivo da bateria ao pino (supondo que seja uma chave de três pinos) no lado que deseja colocar na posição ligada da chave. Em seguida, conecte o pino central à entrada de alimentação positiva do controlador. Soldamos os fios da DuPont ao switch, de modo que a bateria em si não fique permanentemente conectada ao switch.

Conectando os lados

Agora você sabe a localização dos componentes e tem os dois lados do robô. A etapa final na construção do robô será conectar os dois lados entre si. usamos quatro conjuntos de três peças de madeira coladas e aparafusadas nas laterais para que nosso chip de movimento ficasse no eixo do meio do robô. Deve-se dizer que o material usado, desde que seja forte o suficiente, não importa muito. Você pode até usar uma conexão mais pesada na parte superior para aumentar ainda mais a altura do centro de massa. Mas, ao contrário da posição vertical do centro de massa, a posição horizontal do centro de massa deve ser mantida no lugar, tanto quanto possível, acima do eixo da roda, pois codificar o código para o chip de movimento se tornaria bastante difícil se o centro horizontal de massa deslocada.

Agora você está pronto para fazer upload do código e ajustar o controlador.

Etapa 6: Upload e ajuste do código

Para fazer o upload do código, você precisa de um computador com o IDE Arduino. Baixe o arquivo.ino abaixo e abra-o com o IDE do Arduino. O upload para o controlador é feito da mesma forma que você fez com o código da configuração do Bluetooth.

Para fazer o robô funcionar, você precisa baixar o aplicativo ‘Joystick bluetooth Commander’ na Play Store. Ligue a alimentação do robô e coloque-o no chão, na frente ou nas costas. Inicie o aplicativo e conecte-se ao chip Bluetooth. O Datafield 1 irá de XXX para PRONTO assim que o robô se calibrar (5 segundos para colocá-lo de lado, seguido por 10 segundos de calibração). Você pode ligar o robô ao alternar o botão 1 no aplicativo. Agora coloque o robô verticalmente no chão e solte-o assim que sentir os motores ligando. É quando o robô começa a se equilibrar.

O robô agora está pronto para ser ajustado, pois sua estabilidade provavelmente não é boa. Você pode tentar se funciona sem ajustes adicionais, mas você tem que fazer o robô bastante idêntico ao nosso para que funcione corretamente. Portanto, na maioria dos casos, você deve ajustar o controlador para funcionar melhor com o seu robô. É muito fácil, apesar de ser bastante demorado. Veja como fazer:

Ajustando o controlador

Em algum lugar do código, você encontrará 4 variáveis, começando com k. Estes são kp, kd, kc e kv. Comece definindo todos os valores como zero. O primeiro valor a definir é kp. O valor kp padrão é 0,17. Tente configurá-lo para algo bem menor, como 0,05. Desligue o robô, carregue o código e veja como ele tenta se equilibrar. Se cair para frente, aumente o valor. A maneira mais inteligente de fazer isso é interpolando:

1. Defina o valor como algo baixo e experimente
2. Defina o valor como algo alto e experimente
3. Defina o valor como a média dos dois e experimente
4. Agora tente descobrir se ele se equilibrou melhor com o valor baixo ou alto e calcule a média do valor atual e aquele em que funcionou melhor.
5. Continue até encontrar um ponto ideal

O ponto ideal para o valor kp é quando ele está próximo à subcompensação e à sobrecompensação. Então, às vezes ele cairá para frente, pois não consegue acompanhar sua velocidade de queda, e outras vezes ele cairá para trás porque ultrapassou em uma direção diferente.

Depois de definir o valor kp, defina kd. Isso pode ser feito da mesma forma que você fez com o kp. Aumente esse valor até que o robô esteja quase equilibrado, de modo que ele oscile para frente e para trás até cair. Se você configurá-lo muito alto, você pode fazer com que ele se equilibre perfeitamente, mas quando o equilíbrio for muito perturbado, ele cairá (como quando você dá um empurrão). Portanto, tente encontrar o ponto em que não esteja bem equilibrado, mas bem próximo.

Como você pode imaginar, o ajuste do controlador pode exigir várias tentativas, pois fica mais difícil com cada nova variável introduzida. Então, se você acha que não vai funcionar, comece de novo.

Agora é hora de definir o kv. Interpole isso até encontrar um valor no qual o robô para de balançar, permanece equilibrado e pode lidar com um leve empurrão. Quando definido muito alto, tem um impacto negativo na estabilidade. Experimente brincar com kv e kp para encontrar um ponto em que seja mais estável. Esta é a etapa mais demorada do ajuste.

O último valor é kc. Este valor faz com que o robô retorne à sua última posição após compensar um empurrão ou outra coisa. Você pode tentar o mesmo método de interpolação aqui, mas 0,0002 deve funcionar muito bem na maioria dos casos.

É isso! Seu robô está pronto. Use o joystick do seu smartphone para controlar o robô. No entanto, tenha cuidado, pois avançar na velocidade máxima ainda pode fazer o robô cair. Brinque com as variáveis do controlador para compensar isso tanto quanto possível. O passo mais lógico seria olhar para o valor de kp para isso, pois isso compensa diretamente o ângulo atual do robô.

Observação importante sobre baterias LiPo

É recomendável que você verifique regularmente a voltagem da bateria LiPo. As baterias LiPo não devem ser descarregadas para menos de 3 volts por célula, medindo 9 volts em um LiPo 3S. Se a tensão cair abaixo de 3 volts por célula, haverá perda permanente de capacidade da bateria. Se a tensão cair abaixo de 2,5 volts por célula, descarte a bateria e compre uma nova. Carregar uma célula LiPo com menos de 2,5 volts é perigoso porque a resistência interna fica muito alta, resultando em uma bateria quente e um potencial risco de incêndio durante o carregamento.