Команда Violet

Робот, созданный для решения задачи WRO FutureEngineers 2022 (Version Mk. IV)

© Антон Иванченко, Александр Широковских, Дмитрий Шмелёв

Наш видеообзор на Youtube

Введение

Перед нами стояла задача спроектировать и собрать беспилотное транспортное средство, которое могло бы верно и точно выполнить задачу WRO FutureEngineers 2022. Для достижения поставленных целей мы построили четырехколесного робота на базе ESP32. Основными датчикомами этого робота стали лидар и камер, которые дают информацию о расстоянии до объектов вокруг робота и цвете знаков перед роботом. При разработке были учтены геометрические особенности транспортных средств, такие как углы Аккермана и дифференциальная передача момента.

Содержание репозитория

• Папка "3D-models" содержит все версии робота
• Папка "final/main" содержит код финального заезда
• Папка "qual/main" содержит код для квалификационного заезда
• Папка "schematic" содержит электромеханическую схему робота
• Папка "team_photo" содержит два фото команды по регламенту
• Папка "robot_photo" содержит обзорные фото робота с шести сторон
• Папка "readme_photo" содержит фото, используемые в README.md файле

Фото робота

*Если картинки не открываются, проверьте папку "robot_photo", пожалуйста

Схема электромеханического устройства

*Если картинка не открывается или вам нужна картинка лучшего качества, проверьте папку "schematic", пожалуйста.

Сборка робота

• Сначала вам нужно напечатать все необходимые части робота. Для этого зайдите в папку "3D-models/RRO 2021 Mk. IV/STL" и распечатайте все модели на 3D-принтере.
• Во-вторых, вам нужно купить все необходимые компоненты: лидар, камеру, мотор, сервопривод, драйвер мотора и плату ESP Lolin32, а также компоненты, задействованные в печатной плате робота. Для робота также необходимы 4 подшипника 3x8x3, 2 подшипника 3x8x4, латунные втулки 3x5x4, дифференциал и четыре силиконовые шины Pololu. Для питания робота можно использовать любую 7.4V 2S Li-Po батарею размером 53x30x11.5мм, например, мы используем вот эту батарею.
• В-третьих, для сборки напечатаных и купленных компонентов понадобится 12 гаек M3 и 10 гаек М2 гаек и следующие винты(размер указан от головки до конца резьбы):
  • 2xM3 7.6мм (с потайной головкой)
  • 2xM3 20.8мм (с потайной головкой)
  • 2xM3 16.25мм (с потайной головкой)
  • 4xM3 16.25мм (с потайной головкой)
  • 16xM3 6.5мм (с потайной головкой)
  • 4xM3 33.8мм
  • 2xM2 7мм
  • 2xM2 8.8мм
  • 8xM2 6,5мм (с потайной головкой)
  • 6xM2 10мм (с потайной головкой)
• В-четвертых, в соответствии со схемой, необходимо иметь макетную плату размером не более 55,8x25,4 мм. Рекомендуется использовать штырьевой разъем и гребенку-гнездо для удобства замены сгоревших компонентов. Плата управления должна быть собрана в следующем порядке: ESP Lolin32, плата шилда и драйвер.
• В-пятых, открыв в Inventor файл-сборку "3D-models/RRO 2021 Mk. IV/Робот RRO 2021 Mk. IV.iam", соберите робота, как показано на модели.

О наших электрических и механических компонентах

Лидар

В нашем роботе используется RPLidar A1. Он основан на принципе лазерной триангуляции расстояния и использует высокоскоростной процессор для сбора и обработки данных, разработанный компанией Slamtec. Система измеряет данные о расстоянии более 4500 раз в секунду. Дальномер RPLidar A1 вращается по часовой стрелке и выполняет 360-градусное лазерное сканирование окружающего пространства. Полученные данные преобразуются главным микроконтроллером для построения виртуальных стен.

Камера

В этом году для определения цвета знаков мы решили использовать модуль технического зрения TrackingCam. Он является сенсорным устройством для исследования окружающего пространства путем обработки и анализа изображения со встроенной видеокамеры. Модуль является отечественной разработкой.

ESP32

Плата Lolin D32 основана на микроконтроллере ESP32 от "Espressif systems" с низким энергопотреблением. Она обладает множеством мощных функций, включая двухъядерный процессор на базе Arm, Wi-Fi, Bluetooth, I2C, I2S, SPI, АЦП, ЦАП и 4 Мб флэш-памяти. Модуль D32 предоставляет эти функции в удобном формате DIP и может быть запрограммирован непосредственно с USB-интерфейса - дополнительное оборудование для программирования не требуется.

DRV8833

Для управления двигателями используется драйвер DRV8833, который позволяет управлять двумя коллекторными двигателями одновременно. Внутри микросхема драйвера содержит два независимых Н-моста, рассчитанных на напряжение от 2,7 до 10,8 В, с рабочим током каждого канала до 0,5 А без радиатора или до 1,5 А с установленным на микросхеме радиатором.

Металлический мотор-редуктор Polulu

Этот мотор-редуктор представляет собой миниатюрный двигатель постоянного тока средней мощности с обмоткой на 6 В и металлическим редуктором. Его поперечное сечение составляет 10 × 12 мм, а D-образный выходной вал редуктора имеет длину 9 мм и диаметр 3 мм. Эти миниатюрные щеточные моторы-редукторы постоянного тока выпускаются в широком диапазоне передаточных чисел - от 5:1 до 1000:1 - и с пятью различными двигателями: мощными 6 В и 12 В с угольными щетками с длительным сроком службы (HPCB), а также двигателями высокой (HP), средней (MP) и малой (LP) мощности 6 В с щетками из драгоценных металлов с меньшим сроком службы. Двигатели HPCB на 6 В и 12 В обладают одинаковой производительностью при соответствующих номинальных напряжениях, только двигатель на 12 В потребляет вдвое меньше тока, чем двигатель на 6 В. В нашем роботе используется двигатель 250:1 HPCB на 6 В.

Сервопривод MG90S

MG90S - это маленький сервопривод похожий на популярную версию MG90. Так почему мы не использовать его синий аналог? Ответ прост - металлический редуктор. Благодаря им сервопривод может приложить большое усилие для поворота колес без каких-либо последствий. С помощью этого сервопривода робот может довольно точно задать угол поворота колес.

Установка необходимых программ и прошивка платы

• Для программирования робота вам понадобится Arduino IDE. Это программное обеспечение с открытым исходным кодом позволяет легко писать код и загружать его в плату. Откройте exe-файл и следуйте инструкциям программы установки.

• Установите ESP32 в менеджере плат Arduino IDE, добавив ссылку (https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json) в настройки IDE.

  • Сначала добавьте дополнительные ссылки менеджера плат
  • Во-вторых, установите плату

• Используйте менеджер библиотек для установки библиотек ESP32.

  • Библиотеку для аналогового порта ESP32.
  • И библиотеку ESP32Servo.

• Выберите плату "WEMOS LOLIN32". Подключите плату ESP32 с помощью кабеля microUSB к компьютеру и выберите соответствующий порт в IDE arduino. Нажмите кнопку "Загрузить".

Запуск робота

• Загрузить в робота нужный код (в зависимости от раунда, квалификации или финала)
• Включите робота с помощью тумблера.
• Проведите жеребьевку, как указано в правилах
• Поставьте робота на стартувую позицию
• Нажмите кнопку для запуска

Наши планы на будущее

Как всегда, на все не хватает времени, а идеи появляются часто. Поэтому мы создали этот раздел с нашими планами.

• Поменять плату, созданную на макетной плате, на плату, созданную на заводе.

  Для этой идеи мы немного изменили принципиальную схему робота, а также создали макет самой платы. Осталось только дождаться готовую плату с завода и протестировать ее.

  

• Создание носового обтекателя и работа над аэродинамикой робота

  Эта идея пришла, когда нам нужно было ускорить робота. В итоге мы не стали рассматривать его как очень сложный вариант и оставили на будущее, но обтекаемая форма робота дает плюсы к устойчивости, что является приоритетом.

  

• Сделать робота еще меньше

  От регионального этапа до всероссийского размер робота уменьшился почти в три раза. Но мы уверены, что это не предел и можно уменьшить конструкцию ещё. Небольшой размер робота позволяет нам не делать лишних маневров на трассе, что ускоряет время прохождения.