Robotica & programmeren

Transcriptie

1 Robotica & programmeren 1

2 Inhoudsopgave -Waarom heb ik voor dit onderwerp gekozen?...1 -Hoofdvraag en deelvragen...2 -Is een Raspberry Pi of Arduino beter voor robotica?...3 -De onderdelen van de laatste versie...4,5 -Het frame...6 -De programmeercode...7,8,9,10,11 -Bugs en oplossingen...12,13 -Verbeteringen De conclusie Logboek...16, 17 -Bronvermelding

3 Waarom heb ik voor dit onderwerp gekozen? Robotica heeft me altijd al geïnteresseerd, maar het leek mij altijd te moeilijk om er echt iets mee te doen. Toen ik me meer in robotica ging verdiepen kwam ik development boards tegen zoals de Arduino en Raspberry Pi. Development boards zijn kleine computers die meestal een trage microprocessor bevatten die alleen bedoeld zijn om veel input en output te verwerken. De basis van een development board is de microprosessor, het RAM/ROM geheugen, en IO poorten. Deze development boards worden veel gebruikt door hobbyisten voor projecten zoals robotica of 3D printers, maar worden ook commercieel gebruikt voor electronische apparaten zoals magnetrons, TV s, vaatwassers. De arduino uno, één van de meest populaire development boards. 3

4 Hoofdvragen en deelvragen De hoofdvraag voor dit project is of dat het mogelijk is om met de huidige technologie een goed functioneerde en nuttige robot te maken. Ook ga ik kijken of het mogelijk is om het met een budget van ongeveer 150 euro dat te realiseren. Ten derde ga ik onderzoeken welke development board er beter is voor robotica, de Arduino of de Raspberry Pi. Mijn hypothese is dat het mogelijk is om een nuttige robot te maken voor ongeveer 150 euro. 4

5 Is de Raspberry Pi of Arduino beter voor Robotica? Het grootste verschil met een Arduino en een Raspberry Pi is dat de Raspberry Pi een ARM processor gebruikt die ook kan worden gebruikt in telefoons. De Arduino Uno daarintegen gebruikt een microprocessor, de Atmega328P. Deze microprocessor is vele malen trager dan de ARM die de Raspberry Pi gebruikt. Ook heeft de Raspberry Pi 2 twee gigabytes RAM en de Arduino slechts 2 kilobytes RAM geheugen. De Raspberry Pi kan ook gebruikt worden als computer, omdat je er een besturingssyteem op kan installeren. De Arduino kan alleen bepaalde instructies achter elkaar uitvoeren. Als u naar de specificaties kijkt zou u denken dat de Raspberry Pi altijd een betere optie is. Maar toch word de Arduino vaker gebruikt voor Robotica. Dit komt doordat de Arduino één taak maar hoeft te verrichten en daardoor sneller inputs kan lezen. De arduino kunt u ook programmeren via een andere PC. De Raspberry Pi daarintegen moet u via het besturingssysteem van de Raspberry Pi programmeren. Een ander groot voordeel van de Arduino is dat het voltage van de output 5 volt is, inplaats van 3,3 volt op de Raspberry Pi. Dit is gebruiksvriendelijker omdat de meeste sensoren op 5 volt werken. Alle voor-en nadelen op een rij: Arduino: + De Arduino is goedkoper. + Kan sneller inputs lezen + Heeft 5 volt outputs. + Kan vanaf een ander apparaat worden geprogrammeerd. - Heeft geen eigen besturingssysteem, daardoor kan de Arduino niet worden geprogrammeerd zonder een ander apparaat. - Tragere microprocessor Raspberry Pi : + Heeft een eigen besturingssysteem, daardoor kan je ook zonder een ander apparaat erop programmeren. + Het kan gebruikt worden als een normale computer. + Heeft betere specificaties dan een Arduino. - Leest trager input doordat het een eigen besturingssysteem heeft. - Duurder dan de Arduino. - Heeft 3,3 volt outputs waardoor sommige sensoren niet werken. 5

6 De onderdelen van de meest recente versie -Arduino Uno. - MQ-9 gassensor Deze sensor kan gassen zoals koolstofmonoxide en methaan detecteren. Deze sensor werkt op 5V. Het nadeel van deze sensor is dat de sensor moet opwarmen voordat het werkt. Daardoor gebruikt het ook veel energie. - HC-SR04 Ultrasone afstandssensor. Deze sensor heb ik gebruikt voor mijn robot omdat de sensor afstanden van 2cm tot 400cm nauwkeurig kan meten. Deze sensor werkt met ultrasoon geluid. Dat houdt in dat de sensor op een bepaalde frequencie geluid stuurt, dat wordt door een object weerkaatst in een microfoon. Met de formule : T/2*29,1 kan je de afstand uitrekenen. Het nadeel van deze sensor is dat de sensor inaccuraat is als de sensor in een bepaalde hoek voor een voorwerp staat. - I2C 16X2 lcd Display. Ik heb voor dit display gekozen omdat het een klein formaat heeft en werkt volgens het I2C protocol. Daardoor heeft het maar 2 output pinnen nodig. - HC-05 Bluetooth Module. Deze module maakt de robot in staat om met andere apparaten met bluetooth te verbinden, bijvoorbeeld een telefoon. 6

7 - Motor Shield. De Polulu motoren gebruiken rond de 300mA maximaal op 4,8volt, maar de arduino kan maar 30mA geven op 5 volt. De oplossing daarvoor is een motor shield. De motor shield klik je in je arduino en je sluit de motoren aan op de shield. Een groot voordeel van deze shield is dat het op het I2C protocol werkt waardoor je maar twee IO poorten hoeft te gebruiken voor alle motoren. - Pololu motoren. Ze werken van 3 tot 12 volt. Ze zijn verkrijgbaar in verschillende Kracht/snelheid verhoudingen. Deze motoren zijn relatief klein waardoor ze perfect zijn voor het project. - 3D printer. De 3D printer is gebruikt om het frame te maken van de robot. De printer is een standaard FDM (Fused Depostion Modeling) 3D printer. Voor dit project heb ik PLA plastic gebruikt. Dit plastic is gemaakt van biologische afbreekbare stoffen. Het nadeel van dit plastic is dat het niet bestendig is tegen hoge temperaturen. - 4 oplaadbare AA batterijen. Ik heb gekozen voor oplaadbare AA batterijen omdat ze makkelijk te gebruiken zijn. De batterijen werken op 1,2 volt 2100mAh. De 4 batterijen zijn in parallel geschakelt en geven dus 4,8 volt 2100mAh. 4,8 volt is net genoeg voor apparaten die 5 volt gebruiken. De kosten van de meest recente versie van mijn robot: Arduino Uno MQ HC-SR I2C Display 5,95 HC Motor Shield Pololu motoren 2x 12,95 Plastic 5.60 Batterijen overige 6.30 totaal

8 - Het ontwerp Het frame Het ontwerp is gebasseerd op een robotstofzuiger. Doordat de robot 2 wielen in het midden heeft kan het 360 graden om zijn eigen as draaien. Dit is vooral handig in kleine ruimtes. Het frame heb ik ontworpen in het programma 123D 3D Designs. Nadat ik 3 verschillende versies had geprint is dit het ontwerp geworden die ik gebruik voor de robot - Het printen Het printen van het frame was gemakkelijk omdat het ontwerp geen ingewikkelde vormen heeft. Het enige probleem dat plaatsvond tijdens het printen is dat de onderkant begon te buigen. Dit komt doordat het plastic te snel afkoelt waardoor het krimpt. Dit probleem heb ik opgelost door een verwarmd printplatform te gebruiken. Het model in 123D Design 8

9 De programmeercode De code is geschreven in een programmeertaal ontworpen voor de Arduino, het is gebasseerd op de programmeertaal C. #include <LiquidCrystal_I2C.h> #include <SoftwareSerial.h> LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,2,16); #include <Wire.h> #include <Adafruit_MotorShield.h> Dit zijn de verschillende libraries die zijn gebruikt. Een library heeft bepaalde afkortingen voor code waardoor het makkelijker en overzichtelijker word om te programmeren. Adafruit_MotorShield AFMS = Adafruit_MotorShield(); Adafruit_DCMotor *links = AFMS.getMotor(3); Adafruit_DCMotor *rechts = AFMS.getMotor(4); Dit is de code om de motoren die aangesloten zitten op de motorshield te besturen. SoftwareSerial Genotronex (0,1); int BluetoothData; int echopin = 13; int trigpin = 8; int CO = 12; int val = 0; Int heb ik gebruikt om bepaalde waarden namen te geven, dit is overzichtelijker om te programmeren. void setup() { Serial.begin(9600); lcd.init(); lcd.backlight(); lcd.clear(); lcd.home(); lcd.print("verbind telefoon"); pinmode(co,input); pinmode(trigpin,output); 9

10 pinmode(echopin,input); AFMS.begin(); Genotronex.begin(9600); In de void Setup staan alle instructies die maar 1 keer uitgevoerd moeten worden. void loop() { if (Genotronex.available()){ BluetoothData=Genotronex.read(); Dit is om de Bluetooth module te starten. val = digitalread(co); if (CO == 1) { lcd.print("gevaarlijke stof gevonden"); lcd.setcursor(0,1); lcd.print("verlaat ruimte!"); delay(500); lcd.clear(); links ->setspeed(100); rechts ->setspeed(255); links->run(forward); rechts->run(forward); De code om de gassensor te laten werken. Als de output van de gassensor een 1 (high) verstuurt naar de Arduino gaat de robot rond draaien en staat er op de display Gevaarlijke stof gevonden, verlaat ruimte! while(bluetoothdata=='1'){ links ->setspeed(255); rechts ->setspeed(247); links->run(forward); rechts->run(backward); 10

11 break; while(bluetoothdata=='2'){ links ->setspeed(127); rechts ->setspeed(127); links->run(backward); rechts->run(forward); break; while(bluetoothdata=='3'){ links ->setspeed(100); rechts ->setspeed(255); links->run(forward); rechts->run(forward); break; while(bluetoothdata=='4'){ links ->setspeed(255); rechts ->setspeed(100); links->run(backward); rechts->run(backward); break; while(bluetoothdata=='0'){ links ->setspeed(0); rechts ->setspeed(0); links->run(forward); rechts->run(forward); break; Dit is voor de besturing van de robot, de telefoon verstuurd nummers 1 tot en met 4 voor de verschillende richtingen en een 0 wanneer er niets word ingedrukt op de telefoon. if (BluetoothData=='5') { long duration, distance; 11

12 digitalwrite(trigpin, LOW); delaymicroseconds(2); digitalwrite(trigpin, HIGH); delaymicroseconds(10); digitalwrite(trigpin, LOW); duration = pulsein(echopin, HIGH); distance = (duration/2) / 29.1; Dit is de code voor de ultrasone geluidssensor. if (CO == 1) { lcd.print("gevaarlijke stof gevonden"); lcd.setcursor(0,1); lcd.print("verlaat ruimte!"); delay(700); lcd.clear(); links ->setspeed(100); rechts ->setspeed(255); links->run(forward); rechts->run(forward); if (distance >= 30) { links ->setspeed(160); rechts ->setspeed(155); links->run(forward); rechts->run(backward); if (distance < 30 && distance >= 7){ links ->setspeed(100); rechts ->setspeed(190); links->run(forward); rechts->run(forward); 12

13 if (distance < 7 && distance >= 4) { links ->setspeed(127); rechts ->setspeed(127); links->run(backward); rechts->run(forward); delay(400); Dit is de code voor de automatische besturing. Als de telefoon een 5 verstuurt gaat de telefoon in automatische modus. In deze modus kijkt de robot steeds hoever hij nog van een object is. Als de robot dichter bij een object is dan 30 centimeter, en verder weg dan 7 centimeter is, dan gaat de robot draaien todat er een afstand groter dan 30 centimeter is gemeten. Tegelijkertijd scant de robot ook voor gevaarlijke gassen. 13

14 Bugs en oplossingen Met dit project ben ik tegen veel bugs (fouten in de code) en veel hardware problemen gelopen. Daardoor ben ik meerdere keren opnieuw begonnen en heb ik 2 revisies gemaakt. Revisie 1: -De infraroodsensor voor de afstandsbediening had veel storing. Dit heb ik opgelost door een vertraging van een halve seconde tussen het zoeken van signalen te plaatsen. -De robot rijdt tegen voorwerpen aan. Dit heb ik opgelost door een vertraging van 400 milliseconde te plaatsen in de code nadat hij een afstand heeft gemeten. -De arduino valt willekeurig uit. De reden hiervoor was een 9 volt batterij die ik gebruikte voor de arduino, door het gebruiken van AA batterijen was dit probleem opgelost. 14

15 Revisie 2: -Het rechterwiel draait sneller dan het linkerwiel bij het rechtdoor rijden, daardoor gaat de robot naar links. Dit probleem is opgelost door het rechterwiel langzamer te laten draaien dan het linker wiel doormiddel van PWM techniek (Pulse Width Modulation) Dit betekent dat de Arduino minder pulsen per seconde stuurt waardoor het wiel langzamer gaat draaien. -De ultrasone sensor geeft soms willekeurige getallen tussen de 0 en 20 cm terwijl het nog ver van een voorwerp weg is. Dit probleem heb ik niet kunnen oplossen. Ik heb geprobeerd om de tijd tussen het meten te vergroten en de code zo aan te passen dat de arduino alleen maar gaat draaien tussen de 7 en 30 centimeter. Dit heeft het probleem minder erg gemaakt maar niet helemaal opgelost. -De knop voor automatische modus moet ingedrukt blijven. Dit probleem word veroorzaakt door de app die ik gebruik, die stuurt een 0 als er niets word ingedrukt. Dit zou opgelost kunnen worden als ik mijn eigen app had gemaakt. Als ik meer tijd had had ik dit zeker weten ook gedaan. 15

16 Verbeteringen Als ik de robot opnieuw zou maken zou ik verschillende dingen anders doen. Zo zou ik de AA batterijen vervangen door een LiPo accu, deze accu s zijn goedkoper en kunnen worden ingebouwd in het frame. Ook kan je dan de robot opladen met een USB kabel. Inplaats van een ultrasone afstandssensor zou ik een infrarood afstandssensor gebruiken. Deze sensoren zijn duurder maar ook veel preciezer dan ultrasone sensoren. Ook zou ik de robot groter maken, waardoor er bewegings, geluids en vlamsensoren toegevoegd kunnen worden. Ook zou ik als ik meer tijd had gehad een eigen app hebben gemaakt voor de robot zodat de robot wel blijft rijden zonder dat je de knop ingedrukt hoeft te houden. 16

17 De conclusie Uit mijn project is gebleken dat het mogelijk is om een nuttige en functionerende robot te maken voor rond de 150 euro. Door een development board en sensoren te gebruiken is het mogelijk om uw huis veiliger te maken. Zo kan de robot koolmonoxide detecteren zonder dat een mens gevaar loopt. Ik heb met dit project veel ervaring opgedaan op gebied van robotica en programmeren. Deze kennis gaat mij helpen op mijn HBO studie volgend jaar. 17

18 Logboek Activiteit Datum Hoe lang? (uur ) Alle onderdelen binnengekregen en getest. Arduino IDE geïnstalleerd. Getest met de l298n motor controller, YouTube tutorials gekeken Frame voor revisie 1 in elkaar gezet en motoren getest, infrarood ontvanger en afstandsbediening getest en kleine test scripts gemaakt. Alle componenten op het frame van revisie gemonteerd, begonnen met het testen van de afstandssensor. Componenten gesoldeerd, motoren, alles aangesloten op de Arduino, op de officiële website van Arduino gekeken naar tutorials. Begonnen met handmatige besturings code zodat de robot bestuurt kan worden doormiddel een infrarood ontvanger en afstandsbediening, bugs opgelost. Begonnen met de autonome code zodat de robot zelf kan rijden zonder tegen obstakels aan te rijden. Autonome code geprobeerd, bugs opgelost Batterijen vervangen, de Arduino is nu aangesloten op een 9 volt batterij en de motor controller op 6x AA batterijen, getest en snelheden van motoren veranderd doormiddel van PWM. Verdere bugs opgelost, zoals vertraging van de besturing. 3D printer ontvangen, begonnen aan onderdelen uitzoeken voor revisie 2. Onderdelen ontvangen, begonnen met tutorials kijken voor het modelen van het frame voor revisie 2, Begonnen aan het in elkaar zetten van de 3D printer. BlueTooth module en andere nieuwe componenten getest, oude componenten van revisie 1 gedemonteerd, 3D printer in elkaar gezet en gecalibreert. Begonnen aan ontwerpen van frame in 123-3D, tutorialss van 123-3D gekeken. Meer tutorials van Arduino en 123-3D gekeken Het ontwerp van het frame afgerond en uitgeprint, er ontbreekte gaten voor de afstandssensor en het frame was net niet hoog genoeg. Veranderingen aan model toegepast, zoals gaten voor de afstandssensor, en de muren verhoogd. Verschillende dingen getest zoals de speling die er moet zijn tussen de afstandssensor en het frame

19 Nieuwe versie van model uitgeprint, begonnen met het monteren van onderdelen. Nieuwe code voor het besturen van de robot doormiddel van de BlueTooth module geprogrammeerd. Code voor het autonoom rijden veranderd zodat het ook werkt met de tweede revisie. De twee codes effieciënt samenvoegen, diverse bugs opgelost. De robot grondig getest, begonnen met grote bugs oplossen. Koolstofmonoxide sensor en LCD scherm geprogrammeerd. De robot nog een keer testen en afronden, kabels wegwerken. Het verslag schrijven Totaal aantal uren besteed 85 19

20 Bronnen: #.VjYS7_kveUk