Sumo Robot. Profiel Werkstuk Natuurkunde Xander Huisman 5O Roden,

Transcriptie

1 Roden,

2 Roden, Inhoudsopgave Bladzijde: Inleiding 3 Hoofdstuk 1: Wat sumo robots zijn 4 1.1: De wedstrijd 4 1.2: Eisen waaraan de robot moet voldoen 5 1.3: Eisen waar de ring aan moet voldoen 6 1.4: Overige regels 6 Hoofdstuk 2: De hardware 7 2.1: De microcontroller 7 2.2: De sensoren : De lijnsensoren : De Afstandssensor 9 2.3: De motoren : De led lampjes : De schakelaar : De voeding 14 Hoofdstuk 3: De software : De basis : Analoge sensoren : De schakelaar : Servo motoren : De software in de robot 18 Het resultaat: 19 Conclusie: 20 Evaluatie: 21 Bronvermelding: 22 Bijlage 23 2

3 Roden, Inleiding Ik was zelf thuis al een tijdje bezig met elektronica en het programmeren van microcontrollers. Ook wil ik na de Havo Mechatronica doen. Dat is een opleiding waarbij je voor de helft elektronica en voor de andere helft werktuigbouwkunde doet. Het is een best wel zware opleiding, want je bent nooit uitgeleerd en het is heel exact. Maar ik vind het leuk om te doen en heb het leren er wel voor over. Omdat ik zelf al aan het programmeren was, wilde ik voor mijn werkstuk er ook mee bezig. Eerst zou ik voor de LeekBurners iets maken zodat ze op afstand telemetrie konden zien, maar dat ging niet door. Daarom wou ik een soort robotje gaan maken die uit zichzelf al werkt en geen afstandsbediening nodig heeft. Ook wou ik met het Arduino project bezig, omdat het me een interessant project lijkt en er is gratis software bij. Daarbij kwamen vragen aan bod als: Is het moeilijk om een robot te maken? Wat voor dingen zitten erin en hoe stuur je ze aan? Welke regels zijn er allemaal bij een wedstrijd? 3

4 Roden, Hoofdstuk 1: Wat sumo robots zijn Sumo robots zijn robots die tegen andere robots in een ring strijden. Als de robot zelf uit de ring rijdt, is deze ook af en heeft dus verloren. De robot moet dus er zelf ook voor zorgen dat die niet zelf eruit rijdt. Bij een wedstrijd strijden er twee of meer robots tegen elkaar en ze maken elkaar niet bewust kapot zoals bij robot wars waarbij robots elkaar te lijf gaan met zagen en hamers. De robot die als eerste twee rondes gewonnen heeft, wint de wedstrijd tussen de twee. 1.1 De wedstrijd Bij de wedstrijd strijden twee robots tegen elkaar. Maar de wijze waarop er gestreden wordt kan verschillen. Er zijn wedstrijden waarbij van afstand bestuurbare robots meedoen, maar ook robots waarin autonome robots het tegen elkaar opnemen. Zelf vind ik de autonome klasse leuker. De afloop hangt van de robot zelf af, en niet van de bestuurder. Ook is het goedkoper om te maken, omdat je niet de apparatuur nodig bent voor de communicatie. Daarom wordt mijn sumo robot ook autonoom. Er zijn verschillende manieren om te bepalen hoe de wedstrijd gaat verlopen. Een aantal daarvan zijn single elimination, double elemination, round robin en heats. Bij single elemination heeft elke robot maar één kans om van de tegenstander te winnen. Bij double elemination moet de robot twee van de drie winnen om door te gaan. Bij round robin strijdt elke robot tegen elke andere robot, dat duurt vrij lang. En bij de heat wordt er gestreden in poules. De winnaar van elke poule gaat door naar de volgende ronde. Single elemination Eén kans om door te gaan Double elimination Twee van de drie winnen. Roud robin Elke robot tegen alle andere robots Heats Poules Figuur 1: Overzicht Wedstrijd manieren Er kunnen om verschillende prijzen gestreden worden. De robot die alles/het meeste gewonnen heeft. Maar er kan bijvoorbeeld ook gestreden worden om: snelste wedstrijd, meeste verloren, de lichtste robot en de totale tijd dat de wedstrijden samen geduurd hebben. Aan het begin van de wedstrijd moeten de robots gepositioneerd worden. De robot die de hoogste rang heeft(of de ronde daarvoor heeft gewonnen) wordt als eerste neer gezet. De robot mag in elke hoek staan en elke positie in de ring, maar de robot mag niet over de start lijn komen. Als de robot neer gezet is, mag deze niet groter zijn dan de maximale afmetingen die de robot mag hebben. Daarna mag er van afgeweken worden. De robot met een lagere rang mag daarna in de ring geplaatst worden. En mag ook in elke hoek en op elke plek staan, als deze maar niet over de startlijn heen komt. Dit is gedaan om de robot met de lage rang een kleine voorsprong te geven. De robot kan buiten het zicht 4

5 Roden, staan van de andere robot, maar zo, dat de robot bij het starten gelijk op de robot kan afrijden met een hoge rang. Dan kan de wedstrijd bijna beginnen. De meeste robots worden doormiddel van een schakelaar geactiveerd. Dit mag ook gebeuren door middel van geluid, infrarode signalen of met RF communicatie. Na het activeren mag de robot 5 seconden niet bewegen, zodat alles en iedereen meer dan een meter van de ring af is. Ondertussen mogen er al licht effecten en geluid zijn. Als iemand erachter komt dat het activeren mislukt is, kunnen de robots een reset krijgen, zodat de wedstrijd weer eerlijk is. Als een robot beweegt tijdens de 5 seconden, dan krijgt de robot een waarschuwing, bij een tweede waarschuwing, heeft de robot verloren. De robot die als eerste buiten de ring komt, heeft verloren. Een robot heeft verloren als de robot meer dan 5 gram minder weegt dan bij de start. 1.2 Eisen waaraan de robot moet voldoen Om met de wedstrijd mee te doen zijn er regels voor de robot. Het is namelijk niet eerlijk als een hele grote zware robot het moet opnemen tegen een kleine robot. Daarom zijn er verschillende klassen waarin de robot kan gaan strijden. De drie populaire klassen zijn de Japanse klasse, de mini klasse en de micro klasse. In Japanse klasse de Japanse klasse zijn de robots maximaal 3kg en zijn Maximaal 20cm bij 20cm de afmetingen maximaal 20cm breed en 20cm lang. In Maximaal 3Kg de mini klasse zijn de robots kleiner en lichter, Mini klasse namelijk maximaal een halve kilo en maximaal 10cm Maximaal 10cm bij 10cm breed en 10cm lang. In de micro klasse zijn ze robots Maximaal 500gram zelfs maximaal 5 cm lang en 5cm breed en mogen ze De micro klasse maximaal 100 gram wegen. Om te kijken of de robot Maximaal 5cm bij 5cm voldoet aan de eisen, wordt een soort controle vooraf Maximaal 100 gram gehouden. De robot wordt in een doos gezet die de maximale afmeting heeft voor die klasse. Voor het Figuur 2: De verschillende klassen gewicht wordt een simpele weegschaal gebruikt. Voor de hoogte zijn geen regels. Er is weinig ruimte voor elektronica, en deze wordt vaak bovenop gestapeld. Het is niet handig om de robot zo hoog mogelijk te maken, want een hogere robot heeft over het algemeen een hoger zwaartepunt en zal dus sneller om vallen. Verder zijn alle bouwmaterialen, motoren, sensoren en andere elektronica mogelijk, zolang er maar aan de regels voldaan worden. Zelf heb ik gekozen voor de mini klasse, omdat de robots dan niet te klein zijn maar ook niet te groot en omdat het gewicht van de Japanse klasse erg groot is, en ik bang ben dat de robot dan niet van zijn plek komt, omdat er ook niet super dure onderdelen in komen. Bij bepaalde wedstrijden mag de robot hulpmiddelen gebruiken om meer grip te krijgen. Er worden dan bijvoorbeeld magneten gebruik of wielen die plakken aan het veld. Bij sommige wedstrijden mag dat niet, en worden er maatregelen getroffen. Tegen magneten door bijvoorbeeld een niet magnetisch veld te gebruiken en de 5

6 Roden, plakkerige banden bij de keuring door hem op een papier te zetten en de robot op te tillen. Gaat het papier mee, dan mag de robot met deze wielen niet mee doen. 1.3 Eisen waar de ring aan moet voldoen Bij elke klasse hoort natuurlijk ook een andere ring. De grote robots uit de Japanse klasse hebben meer ruimte nodig dan een robot uit de mini klasse. Het veld wordt gemaakt van hout of van een metaal als aluminium. Op de bovenkant zijn normaal lijnen getekend, waarbinnen de robot moet blijven en vanwaar de robot mag starten. Om het veld heen is een witte rand gemaakt. Omdat dit een groot contrast geeft met de zwarte ondergrond, kan een robot dat dus snel opmerken. In het veld zijn nog 2 bruine lijnen geschilderd, deze zijn ervoor om aan te geven vanwaar de robot mag beginnen. Ook heeft het bord een bepaalde hoogte. Daardoor ontstaat er een rand die met schakelaars kan worden waargenomen. Om de robots niet te storen is er ook een ruimte om de ring heen waarin zich niets mag bevinden. Dit is om er voor te zorgen dat de robot niets anders waar gaat nemen dan een andere robot. Klasse Mini Micro Diameter 77cm 38,5cm Hoogte 2,5cm 1,25cm Dikte van de 2,5cm 1,25cm rand Dikte van de 1cm 0,5cm startlijn Lengte van 10 5 de startlijn Startlijn 5cm 2,5cm vanaf het midden Ruimt om de ring 100cm 100cm Figuur 3: Eigenschappen 1.4 Overige regels Zoals bij elke wedstrijd zijn ook hier spelregels. Robots mogen elkaar niet opzettelijk kapot maken en ook niet schadelijk zijn voor mensen. Ook mogen de robots elkaar niet storen. Je mag dus niet bijvoorbeeld met infrarode lampjes de infrarode afstandssensor van de andere storen. Ook mag er getest worden van te voren. Een robot mag het opnemen tegen een blok hout en heeft 3 minuten om het blok eruit te drukken. 6

7 Roden, Hoofdstuk 2: De hardware Om de robot te laten rijden zijn er motortjes nodig. En Invoer: om de lijn te detecteren is een sensor nodig. Dit zijn 2 Lijnsensoren onderdelen die onder de hardware vallen. De robot is 1 Afstandssensor een regelsysteem omdat wat de robot meet, continue Verwerking: verandert en dat weer terug koppelt naar de robot. In 1 Arduino Uno een elektronisch systeem heb je drie blokken: de Uitvoer: invoer, de verwerking en de uitvoer. Onder de invoer 2 motoren voor de vallen dus de sensoren die de robot heeft. Onder de aandrijving uitvoer vallen de actuatoren en dat zijn de motoren 1 motor om de en dingen waarmee de robot laat zien dat afstandssensor te draaien bijvoorbeeld de robot begint. De verwerking doe ik Led lampje om de status niet met verwerkers als de comparator en de Enpoort, maar met een computertje. Deze bevat in aan te geven principe wel onderdelen als de comparator en de Enpoort maar het computertje kun je programmeren en Figuur 4: Onderdelen schema dus laten weten wanneer de robot met welke signalen wat moet doen. 2.1: De microcontroller De Microcontroller is het brein van de robot. De robot moet autonoom werken en moet dus zelf alles doen dus zonder communicatie met de buitenwereld. Om dat voor elkaar te krijgen moet er dus een soort computertje in. De computertjes die hier geschikt voor zijn heten microcontrollers, afgekort ook wel µc(µ van micro en C van controller). Deze chipjes zijn met een computer te programmeren, zodat je zelf kan beslissen hoe de robot werkt. Op de computer is een ontwikkelomgeving geïnstalleerd waarin een programma voor de robot geschreven wordt. Er zijn vele talen om in te programmeren en dus ook verschillende omgevingen. De ontwikkelomgeving moet het programmeren Figuur 5: De Arduino Uno overzichtelijker maken met kleuren voor bepaalde opdrachten. Bepaalde opdrachten(woorden) hebben namelijk een kleur zodat het overzichtelijker wordt. Ook zet de ontwikkelomgeving het programma dat je geschreven hebt om in een taal die de microcontroller snapt. Als microcontroller heb ik gekozen voor de Arduino Uno. Arduino is een Open Source project, dat wil zeggen dat de bron voor iedereen toegankelijk is. Ook is de software voor op de computer gratis. Ook is het een erg populair project en dus zijn er veel voorbeelden 7

8 Roden, beschikbaar op internet. De Arduino die ik gekozen heb, werkt met spanningen 0 tot 5 volt. Dit had bijvoorbeeld de Amicus18 niet(0 tot 3,3V). Ook is het een printplaatje waar de directe onderdelen van de Arduino op zitten, zoals een programmer die de data van de computer in de controller zet, ontstoor condensatoren zodat de spanning stabieler blijft zodat er geen rare dingen gebeuren, een extern kristal die zorgt voor de klokpulsen van de processor en een voeding. De Arduino is namelijk niet een processor maar een ontwikkel board. Aan de rand zitten bepaalde stekkers(headers) waarop je printplaatjes(shields) kan bevestigen. Een voorbeeld van een shield is een printplaatje voor het aansturen van een motor. Als processor zit er op de Arduino een ATmega328 op. Dit is een controller gemaakt door Atmel, een van de grote fabrikant van microcontrollers. Op de pc staat een programma dat bij het Arduino project hoort. Hierin is de controller te programmeren en in het programma zitten ook voorbeelden met uitleg. 2.2: De sensoren De sensoren zijn de zintuigen van de robot. Zonder de sensoren zou de robot niet kunnen. In de sumo robot zitten 2 verschillende sensoren. Twee sensoren bekijken de ondergrond en nemen dus waar als de robot van de zwarte ondergrond naar de witte rijdt. De andere sensor is een afstandssensor. Deze kijkt dus hoever een voorwerp verwijderd is van de robot. Als een voorwerp dicht bij de robot is wordt dat waargenomen en dus kun je er dan heen rijden : De lijnsensoren De lijnsensoren hebben de taak om de witte lijn rondom het zwarte veld te detecteren. Wit op zwart heeft een erg groot contrast en dus is dat gemakkelijk waar te nemen met sensoren. De kant en klare lijnsensoren op iprototype.nl zijn eigenlijk wel duur. Twee lijnsensoren samen die al helemaal klaar zijn, kosten samen 11,90. Ook is het leuker en leerzamer om zelf sensoren te maken. Ze verkopen op de site wel de CNY70. Twee keer een CNY70 kost samen ongeveer 4,-, dit is een heel stuk goedkoper dan de kant en klare sensoren. De sensor is een klein zwart blokje met vier aansluitingen. Twee aansluitingen zijn van een infraroodlampje en de andere twee zijn van een lichtgevoelige transistor. Het lampje zendt licht uit. Als de ondergrond niet al de ver van de sensor is, kaatst het licht op de ongegrond weer terug. De geleiding van de lichtgevoelige transistor hangt af hoe veel licht er terug gekaatst wordt op de transistor. Hoe meer licht, hoe meer geleiding. Wit kaatst haast al het licht terug en zwart haast niet. Figuur 6: De CNY70 sensor Figuur 7: Terugkaatsing van de sensor 8

9 Roden, Maar de CNY70 kan niet direct op de Arduino aangesloten worden. De spanning op de led wordt te hoog en daardoor gaat er een grotere stroom lopen en gaat het lampje kapot. Ook de transistor kan niet direct aangesloten worden. Volgens de datasheet heeft de led heeft 1,25V nodig bij 50mA. De voedingsspanning is 5V. De spanning over de weerstand is dan De weerstand is dan Figuur 8: aansluit schema Omdat de spanning niet precies 5V zal zijn, is de waarde iets hoger gekozen voor de weerstand. In mijn robot heb ik zelf gekozen voor 180Ω. De ontvanger is als het ware een lichtgevoelige transistor. De weerstand van 47K samen met de lichtgevoelige transistor in serie vormen een spanningsdeler. In het schema maken ze gebruik van een weerstand van 47KΩ. die waarde had ik niet thuis liggen. Wel had ik nog weerstanden van 100KΩ. twee weerstanden parallel geven samen een weerstand van Die waarde komt aardig in de buurt van de 47KΩ. De spanning op het knooppunt zal dan iets anders zijn, maar dit kan ik corrigeren in de arduino. Met een analoog digitaal converter in de Arduino is dan de spanning die op het knooppunt van de weerstand en de transistor te meten en om te zetten in een 10-bits waarde. Met wat proberen bleek de waarde bij een zwarte ondergrond rond te 300 te hangen en bij de witte ondergrond was dat ongeveer 20. Dit is een groot verschil en dus is in het programma in de Arduino gemakkelijk een omslag punt in te stellen : De Afstandssensor Om een andere robot te kunnen detecteren heeft de robot een sensor nodig. Dit kan bijvoorbeeld met ultrasone geluidsgolven of met infrarood licht. Beide werken op hetzelfde principe. Er wordt een signaal uitgezonden en als dat weerkaatst wordt, is er dus een voorwerp dat dat doet. Deze sensoren kunnen ook gebruikt worden om de afstand te meten. 9

10 Roden, Op iprototype.nl zijn verschillende ultrasone en infrarode sensoren verkrijgbaar. Een infrarode afstandssensor die een uitgangs signaal geeft van 0 tot 5 volt, een sensor die een hoog signaal geeft als een object zich bevindt in de afgestelde afstand en een ultrasone sensor die met de Arduino praat met een bepaald protocol. Omdat de ultrasone sensor niet gemakkelijk uit te lezen is(door het protocol) en het duurste is, wil ik deze niet gaan gebruiken. Het interessantst lijkt me dan de sensor met het analoge Figuur 9: De afstandssensor uitgangs signaal. Ik kan dan bijvoorbeeld de robot de maximale snelheid geven als de robots tegen elkaar aan staan en veel kracht nodig is. De sensor heeft maar een klein gezichtsveld. Er zijn dus meerdere sensoren nodig voor een groter gebied. Maar er is een probleem, een sensor kost 14,= en om dan meerdere te gaan kopen wordt ook erg duur. Maar als de sensor op een servo motor bevestigd wordt, kan de robot in theorie 180 om zich heen kijken zonder zelf te draaien. De motor kan dan op een aantal ingestelde posities kijken of er iets in het gebied aanwezig is en dan bij draaien om de robot uit de ring te duwen. Servo motoren zijn normaal bedoeld om met een kleine Figuur 10: mini servo uitslag een voorwerp in beweging te zetten. In de servo motor zit slimme elektronica die er voor zorgt dat de stand die de Arduino aan geeft bereikt wordt en vastgehouden wordt tot er een nieuwe positie wordt opgegeven. 2.3: De motoren De motoren moeten sterk zijn om een andere robot ook nog uit de ring te kunnen drukken, maar ze moeten ook snel genoeg zijn. Een normale motor heeft een hoog toerental en weinig kracht. Om de kracht te vergroten moet er een overbrenging tussen. Zo krijgen de motoren meer kracht, maar minder snelheid. Het is lastig om een aandrijving goed in elkaar te zetten omdat de assen van de motor precies recht moeten zitten op de as van de aandrijving. Een motor met de aandrijving erbij in is dus veel makkelijker. Bij iprototype.nl hebben ze twee motoren die in aanmerking komen. Normale gelijkspanningsmotoren met versnellingsbak die per 2 met wielen 13,95 kosten. Deze zijn alleen lastig te bevestigen aan de robot en er zitten vaste wielen op(andere wielen zijn niet Figuur 12: 11 Gewone DC motoren makkelijk te bevestigen en de kans op doordraaien is dan aanwezig). Het voordeel van deze motoren is dat je ze via PWM kan regelen in de snelheid. PWM staat voor pulse with motion. Er worden continue pulsen gemaakt en door de tijd dat de puls hoog is hoger te maken en de 10

11 Sumo Robot Roden, tijd dat de puls laag is lager te maken, gaat de motor harder draaien(krijgt langer spanning per seconde). Dit gaat met zo n hoge frequentie( hz) dat het lijkt of het wiel steeds draait. De arduino heeft 6 van deze kanalen die daar continue mee bezig kunnen zonder softwarematig pulsen te genereren. Dit scheelt dus tijd. Ook een nadeel is dat de motoren niet direct kunnen worden aangesloten op de Arduino, omdat ze te veel stroom trekken. Er moet dus een motorsturing tussen en de prijs gaat dus nog verder omhoog. De andere motoren zijn servo motoren. En kosten per 2 11,90. Deze kunnen zonder aanpassing maar 180 draaien. Figuur 13: PWM En worden direct aangesloten op de Arduino. Het voordeel van deze motoren is dat ze makkelijk en stevig te bevestigen zijn en dat er zelf een wiel op gemaakt kan worden doormiddel van opzetstukjes die erbij zitten. Ook zit er een versnellingsbak in. Met een bepaalde aanpassing kunnen de motoren toch door blijven draaien. Dit heeft te maken met de elektronica die erin zit. Deze elektronica zorgt ervoor dat de motor op dezelfde positie blijft staan(mits de motor genoeg kracht heeft). De stand wordt doormiddel van een variabele weerstand terug gekoppeld naar de elektronica en stuurt zo nodig de motor bij. Door de feedback te verwijderen(de variabele weerstand los maken van het laatste tandwiel) en de potmeter in de middelste stand te zetten. Denkt de motor dat hij in de verkeerde stand staat. Hij blijft maar doordraaien omdat hij nooit de gewenste positie haalt. Ik heb gebruik gemaakt van de aangepaste versie van de servo motor In het ontwerp van de robot heb ik gekozen voor wielen met een diameter van 8cm. De omtrek is dan De RS-2 servo motor die ik gebruik heeft bij 4,8V ongeveer 0,18s nodig om 60 te draaien. En heeft dan een arbeid van 35Ncm. Voor een heel rondje is dat voor een heel rondje. De robot gaat dan Dit is een mooie snelheid voor de robot. Het duurt niet te lang om de cirkel over te steken en ook niet te kort. 11

12 Roden, : De led lampjes Om aan te geven dat de robot aan gaat, wil ik led lampjes gebruiken. Met 2 witte lampjes aan de voorkant en 2 rode aan de achterkant, lijkt het net een autootje. Witte led lampjes werken op 3,5V bij 20mA en de rode led lampjes op 2V bij 20mA. De voedingsspanning is 5V. De rode ledjes zijn hetzelfde en kunnen in serie aangesloten worden. Maar dan werken de ledjes op een te hoge spanning. De stroom wordt dan zo hoog dat ze dan kapot gaan, dus moet er een weerstand voor. Beide weerstanden worden hoger gekozen omdat de lampjes wel heel fel zijn anders. De R2 heeft een waarde van 100Ω gekregen en R3 en R4 een waarde van 180Ω. Het vermogen per weerstand is niet zo hoog, daarom is een kwart watt weerstand voldoende. Als de grens wel wordt opgezocht, loopt er in totaal een stroom van, dat kan de Arduino niet schakelen, omdat die maximaal 40mA per poort mag schakelen. Voor Figuur 14: Schema leds dit soort toepassingen worden vaak transistors ingeschakeld. Een transistor is een component met 3 pootjes. Deze worden B (basis), C (collector), en E (emitter) genoemd. Een transistor versterkt de stroom. De grote van de vergroting heet de Hfe. Bij de BC547B die ik thuis nog heb liggen, ligt de waarde tussen de 200 en de 400. Over de collector en de emitter is een spanningsval van 0,7V. Dit komt omdat de transistor uit diodes bestaat. In de berekening voor de leds heb ik daar geen rekening mee gehouden. De leds zullen dan Figuur 15: De transistor op een lagere spanning werken waardoor ze iets zwakker gaan branden. Dit komt de levensduur ten goede en de batterij gaat minder snel leeg. Op de Collector wordt de min aangesloten van de belasting. Op de emitter wordt de min aangesloten van de voeding aangesloten. Op base wordt de uitgang aangesloten van de Arduino, maar dit kan niet direct. Als het wel direct gebeurd gaat de transistor kapot. Er moet een weerstand tussen om de stroom en de spanning te beperken. De weerstand wordt als volgt berekend: 12

13 Roden, Ook hier is een kwart watt weerstand voldoende. De voeding voor de motoren heb ik apart aangesloten. Om te zien of deze voeding aan staat heb ik daar ook een rode weerstand aangesloten met een weerstand. Ook hier heb ik plaats van een 150Ω weerstand, een gebruikt van 180Ω en is de weerstand een kwart watt. 2.5: De schakelaar Om te laten weten wanneer de robot mag beginnen, is een druk schakelaar gebruikt. Dit is het goedkoopste en het makkelijkste. Er moet echter wel een kleine weerstand bij. Een schakelaar sluit je normaal tussen de plus en de input aan of tussen de min en de input. Als de schakelaar open is, ligt de spanning niet vast. Deze kan door storingen gaan variëren en daardoor kan de Arduino ook raar gaan doen. Daarom wordt het aangeraden om met een weerstand de spanning of naar beneden of omhoog te trekken. Als je de schakelaar tussen de min en de input aansluit, moet je een weerstand van de input naar de plus leggen. Als je de schakelaar tussen de plus en de input hebt, moet de weerstand tussen de input en de min. Als weerstand wordt meestal 10KΩ aangeraden. De schakelaar zit hier tussen de min en de input. Als de schakelaar dan open is, loopt er een kleine stroom via de weerstand naar de Arduino. De Arduino leest een hoog signaal(5v van de weerstand). Als de weerstand gesloten is, loopt er een kleine stroom door de weerstand naar de min. Dat is Dat is erg weinig en er wordt maar Daar wordt de weerstand nauwelijks warm van. De Arduino leest dan een laag signaal(0v). 13

14 Roden, : De Voeding De servo motoren hebben een hoge piekstroom. Om de Arduino te sparen, heb ik voor de 2 servo motoren die de robot voortbewegen een aparte voeding gebruikt. Dit heb ik gedaan met een 7805 met twee condensatoren over de in- en uitgang van de Als batterijen ga ik AA batterijen gebruiken en een Figuur 16: 7805 met condensatoren 9v blokje. Een AA batterij kan meer stroom leveren dan de 9V batterij. Volgens Wikipedia kan een 9v batterij een uur lang 1000mA aan. Een 1,5V batterij kan meer dan 3x zoveel aan, namelijk 3300mA. Voor de motoren gebruik ik dan 6 AA batterijen in serie want neer komt op 6x1,5= 9V. Als de batterijen leger raken, zakt de spanning. De Arduino kan het hier moeilijk mee krijgen en rare dingen gaan doen. Daarom geef ik de Arduino een eigen 9V batterij. 14

15 Roden, Hoofdstuk 3: Software De software achter de robot bepaalt hoe de robot werkt en wat er gebeurt. De hardware kan nog zo goed zijn, maar zonder goede software heb je weinig aan de goede hardware. De Arduino wordt geprogrammeerd in een taal genaamd C. Als ontwikkelomgeving gebruik ik de ontwikkelomgeving die speciaal is gemaakt voor de Arduino. Bij de Arduino is het nog niet echt programmeren omdat lastige instructies staan en die kun je dus niet zien. Ook hoef je met veel dingen niet rekening te houden zoals de instellingen van bijvoorbeeld de PWM uitgangen. 3.1: De Basis Bij het programmeren is een soort basis opbouw. Deze bestaat uit minimaal 2 blokken, die functies heten. Zonder deze 2 blokken werkt het programma niet goed of zelfs helemaal niet. Achter void staat de naam van de functie. Als je de naam weet, kun je er dus heen springen vanuit een ander gedeelte. De functies moeten het programma nog overzichtelijker maken. Opdrachten die vaker in een loop moeten gedaan worden kun je een eigen functie geven. Je springt dan steeds weer naar de functie en aan het einde van de opdracht weer terug naar waar je gebleven was in de loop. Wat er moet gebeuren in de functie staat tussen de accolades. De statements zijn de opdrachten die worden gedaan in een regel. Elke statement wordt afgesloten met een puntkomma. De puntkomma is dus in principe een punt achter elke zin in een tekst. Om commentaar te geven achter een zin, moet je een dubbele slash gebruiken. De tekst achter de dubbele slash wordt niet uitgevoerd, dus kun je dit ook gebruiken om stukken van je code uit te schakelen om problemen op te zoeken. void setup(){ statements; void loop(){ stetements; //Hier staat alles wat er in de setup gebeuren moet //Hier staat alles wat er in de loop gebeuren moet Om naar een andere loop te springen gebruik je Naam_van_loop(); Je gebruikt dus de naam van de functie en zet daar haakjes achter. Ook deze regel wordt afgesloten met een puntkomma, omdat het een gewone opdracht is. 15

16 Roden, : Analoge sensoren Alle sensoren op de schakelaar na zijn bij deze robot analoge sensoren. Deze sensoren zorgen voor een veranderende spanning op de analoge ingang. De analoge ingangen zijn analoog digitaal converters. Deze zetten de spanning om in een 10-bits waarde. int sensorpin = A0; int sensorvalue = 0; void setup() { void loop() { sensorvalue = analogread(sensorpin); Voordat de robot naar de setup functie gaat, wordt de sensor vast gemaakt aan de analoge pin(in dit geval pin 0). Ook wordt de variabele sensorvalue aangemaakt om de waarde van de sensor in op te slaan. In de setup hoeft verder niets gedaan te worden. Met analogread(sensorpin) wordt de 10-bits waarde aan de variabele sensorvalue gegeven. 3.3: De schakelaar De schakelaar is een digitale sensor. De schakelaar heeft een discreet signaal. Dit houdt in dat de Arduino een laag(0) signaal leest of een hoog(1) signaal leest. const int buttonpin = 2; //De schakelaar zit aan de digitale pin 2 int buttonstate = 1; //De waarde die de schakelaar heeft void setup() { void Wachten () { buttonstate = digitalread(buttonpin); if (buttonstate == LOW) { statements; loop(); else { //Als de schakelaar niet is ingedrukt weer terug Wachten(); Void loop(){ 16

17 Roden, Voordat de robot naar de setup functie gaat, wordt de sensor vast gemaakt aan de digitale pin(in dit geval pin 2). Ook wordt de variabele buttonstate aangemaakt om de waarde van de sensor in op te slaan. Deze krijgt ook gelijk de waarde 1(als de schakelaar niet is ingedrukt is het signaal 1 en anders 0) In de setup hoeft verder niets gedaan te worden. Met digitalread(buttonpin) wordt de stand aan buttonstate gegeven. Ook wordt er gelijk een beslissing genomen. Als de schakelaar was ingedrukt(buttonstate = laag) worden de statements uitgevoerd en daarna naar de loop gesprongen. Als de schakelaar nog steeds niet is ingedrukt, blijft de robot in de functie Wachten hangen. 3.4: Servo motoren De servo motor krijgt steeds een korte puls. De lengte van de puls bepaalt de stand. Daarom zit de servo ook op een pin met PWM. Als eerste wordt de bibliotheek geladen die de servo aanstuurt. Het namelijk niet makkelijk om dat steeds te doen, en daarom neemt de bibliotheek de taak over voor dat gedeelte. Servo myservo; zorgt ervoor dat de servo opgeroepen kan worden met myservo. De variabele val wordt aangemaakt om de stand van de servo te bepalen. #include <Servo.h> Servo myservo; int val; void setup() { myservo.attach(9); void loop() { val = map(val, 0, 1023, 0, 179); myservo.write(val); In de setup wordt myservo gekoppeld aan pin 9. In de loop krijgt de servo de stand. Met map wordt de 10-bits waarde van bijvoorbeeld een sensor omgezet, naar in dit geval een waarde die tussen de 0 en de 179 ligt(180 waarden). 17

18 Roden, : De software in de robot In mijn robotje is de software anders dan als je alleen een sensor uitleest en de waarde op een display zet of naar de computer stuurt. De sensoren worden niet alleen uitgelezen, ze zijn ook de ogen van de robot. De robot neemt beslissingen aan de hand van wat de sensoren waarnemen. De robot mag ook niet te lang bezig zijn met het uitlezen van de sensoren, want dan rijdt de robot alweer de ring uit. Je moet dus zeer creatief zijn met het opstellen van het programma. Daarom maak ik veel gebruik van functies. De servo van de afstandssensor worst in een stand gezet, de robot rijdt en scant alles. Dan de servo naar een andere stand en zo maar door. Met meer geldt, had ik meerdere sensoren kunnen kopen. Dan hoef je niet steeds te wachten tot de servo weer goed staat. In de bijlage staat de complete software. 18

19 Roden, Het resultaat De Robot is af(bijna, alleen nog het rijden moet beter). Tijdens het bouwen en programmeren zijn er dingen opgevallen. Het is erg moeilijk om heel precies te werken. De robot is daarom een keer uit elkaar geweest om een motor iets anders te zetten. Ook heeft de robot andere batterijen gekregen dan de bedoeling was. Dit is omdat de AA batterijen samen(6 stuks) veel ruimte in beslag namen. Daarvoor heeft de robot nu twee losse 9V batterijen gekregen. Ook voldoet deze robot niet helemaal aan de eisen van de robot. Qua gewicht kan is het goed. De robot weegt maar 435 gram, wat maximaal 500 mocht zijn. Maar qua afmetingen hoort de robot in een klasse hoger. De wielen zijn een paar millimeter breder geworden en aan de voor en aan de achterkant steekt hier en daar wat uit. Ook is de servo motor voor de afstand erg langzaam. Met losse sensoren kan je veel sneller de afstand bepalen, omdat daar niet eerst de stand bepaalt hoeft te worden van de sensor. Dit heeft ook weer te maken met het budget. In totaal heeft dit project mij 93,44 gekost: 79,24 voor de hardware, 3,= voor het karton en 11,20 voor nieuwe lijnsensoren en krimpkous. Verder heb ik dingen gratis gekregen zoals batterijen, hout en papier en had ik nog dingen thuis zoals weerstanden. Figuur 17: Printplaat van boven Figuur 18: Robot van voren 19

20 Roden, Conclusie Hoe de robot werkt is op te delen in verschillende onderdelen. De hardware en de software. De hardware is dat wat je fysiek kan aanraken en de software is een lijst met opdrachten die de Arduino uitvoert. Onder de hardware vallen weer 3 andere onderdelen namelijk de sensoren, de verwerker(arduino) en de actuatoren. De hardware onderdelen zijn in verschillende types te krijgen. Elk type heeft voordelen, maar ook weer nadelen. Ook ligt het aan het budget hoe goed een robot kan zijn en wat deze kan. 20

21 Roden, Evaluatie Het was wel lastig om alle informatie op te zoeken omdat ik zelf ook al wat wist. Daarna alles bestelt en getest. Ook het testen ging niet foutloos, vaak zie je kleine dingen over het hoofd wat je dan weer even tegen houdt. Dat was zowel in de hardware als in de software. Het bouwen ging ook niet vlekkeloos. De robot is iets groter dan 10cm bij 10cm, omdat er later nog schroefjes bij kwamen, of een onderdeel verkeerd werd gemaakt. Eén motor zat iets hoger dan de andere, eerst dacht ik dat dat geen probleem zou geven, maar ik heb uiteindelijk wel de halve robot gesloopt om het weer goed te maken. Met het solderen had ik over het hoofd gezien dat er twee banen doorliepen. Met het testen bleek dat er kortsluiting was. Na een half uur had ik pas door dat het hem in de banen zat. Deze zijn doorgekrast en toen werkte het weer. Tijdens het knutselen zijn een paar draden van de lijnsensoren afgebroken. Ik heb toen nieuwe sensoren gekocht en gelijk krimpkous mee besteld om de draden af te schermen na het solderen. Ook deed de robot raar met het programmeren, dit bleek hem te zitten in te lege batterijen, waardoor de servo motoren raar gingen doen. Het was een zeer leerzaam project en ik heb er veel van geleerd. Op papier zijn dingen weer heel anders als in de praktijk. En zitten sommige grote problemen komen voort uit een heel klein iets. 21

22 Roden, Bronvermelding: Hulens, D. (2011). Hulens Dries Technology. Verkregen op 17 juni 2011 van Cook, D. Illustrated Guide to American Robot Sumo. Verkregen op 5 juli 2011 van Natuurkunde overal deel 2. Houten: EPN Webshop: Webshop: Continue gebruikt vanaf de zomer van Kompanje, A. (2009). Arduino Programmeer manual. Verkregen op 11 november 2011 van Lijnsensor met CNY70. Verkregen op 20 september 2011 van Wat is een transistor? Verkregen op 21 september 2011 van Batterij. Verkregen op 21 september 2011 op 22

23 Roden, Bijlage: Volledige programma: (Zonder feedback van de afstandssensor) #include <Servo.h> // These constants won't change: const int buttonpin = 2; const int ledpin = 9; Servo myservo; Servo MotorLinks; Servo MotorRechts; const int sensorpin = A3; const int sensorlinks = A0; const int sensorrechts = A1; // These constants change: int sensorvalue[2]; int sensorvaluelinks = 0; int sensorvaluerechts = 0; int buttonstate = 1; int Stand = 0; int Stand2 = 0; int Wacht = 0; int val1 = 0; int val2 = 0; int Scannen = 10; // void setup() { myservo.attach(3); Stand = 511; SetServo(); Serial.begin(9600); pinmode(ledpin, OUTPUT); 23

24 Roden, Wacht = 50; Flitsen(); Wachten(); void Wachten(){ buttonstate = digitalread(buttonpin); if (buttonstate == LOW) { Wacht = 100; Flitsen(); Wacht = 200; Flitsen(); Wacht = 100; Flitsen(); delay (2100); digitalwrite(ledpin, HIGH); delay(500); MotorLinks.attach(10); MotorRechts.attach(11); loop(); else { Wachten(); void Flitsen(){ for (int i=0; i<4;){ digitalwrite(ledpin, HIGH); delay (Wacht); digitalwrite(ledpin, LOW); delay (Wacht); i++; return; // void loop() { Stand = 0; for (int i=0; i<scannen;){ Lijnsensor(); Rijden(); i++; 24

25 Roden, Afstand(); Stand = 1; for (int i=0; i<scannen;){ Lijnsensor(); Rijden(); i++; Afstand(); Stand = 2; for (int i=0; i<scannen;){ Lijnsensor(); Rijden(); i++; Afstand(); Stand = 1; for (int i=0; i<scannen;){ Lijnsensor(); Rijden(); i++; Afstand(); // void Afstand(){ switch (Stand) { case 0: Stand = 250; SetServo(); sensorvalue[0] = analogread(sensorpin); Serial.println("AfstandL = "); Serial.println(sensorValue[0], DEC); break; case 1: Stand = 511; SetServo(); sensorvalue[1] = analogread(sensorpin); 25

26 Roden, Serial.println("AfstandM = "); Serial.println(sensorValue[1], DEC); break; case 2: Stand = 722; SetServo(); sensorvalue[2] = analogread(sensorpin); Serial.println("AfstandR = "); Serial.println(sensorValue[2], DEC); break; // void Lijnsensor(){ sensorvaluelinks = analogread(sensorlinks); Serial.println("Links = "); if (sensorvaluelinks < 300){ sensorvaluelinks = 0; Serial.println("Wit"); else { sensorvaluelinks = 1; Serial.println("Zwart"); sensorvaluerechts = analogread(sensorrechts); Serial.println("Rechts = "); if (sensorvaluerechts < 300){ sensorvaluerechts = 0; Serial.println("Wit"); else { sensorvaluerechts = 1; Serial.println("Zwart"); void SetServo(){ Stand = map(stand, 0, 1023, 0, 179); myservo.write(stand); delay(15); 26

27 Roden, return; // void Rijden(){ if (sensorvaluelinks==1){ if (sensorvaluerechts==1){ val1 = 0; val2 = 1023; else { val1 = 1023; val2 = 1023; else { if (sensorvaluerechts==0){ val1 = 1023; val2 = 0; else { val1 = 0; val2 = 0; val1 = map(val1, 0, 1023, 0, 179); MotorLinks.write(val1); val2 = map(val2, 0, 1023, 0, 179); MotorRechts.write(val2); return; 27