НПП НИМ СГТУ
СФЕРА-САРАТОВ СГУ
курсы работотехники, подготовка к ЕГЭ и ОГЭ и другие образовательные программы
Подготовка кадров
ДЛЯ КОММЕРЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
410012, г. Саратов, ул. Московская, 117Б оф.71,
тел: +79053269891,
email: sgu64@mail.ru
Информация о сайте


Краткие сведения об Arduino

Что такое Arduino?

Arduino (Ардуино) — аппаратная вычислительная платформа, основными компонентами которой являются плата ввода-вывода и среда разработки.

Arduino может использоваться как для создания автономных интерактивных объектов, так и подключаться к программному обеспечению, выполняемому на компьютере. Arduino как и Raspberry Pi относится к одноплатным компьютерам.

Фото
Рис. 1 Плата Arduino UNO

Как связаны Arduino и роботы?

Ответ очень прост — Arduino часто используется как мозг робота.

Для начала установим Arduino IDE (arduino.cc) — это кросс-платформенная бесплатная среда разработки. Теперь, если мы подключим наш Arduino, мы сможем попробовать написать первый код на самом простом примере: программе мигания светодиодом. На большинстве Arduino-контроллеров он есть и подключен к пину 13. Кстати, в мире Arduino программы принято называть скетчами. Вот текст скетча с комментариями:

// Дадим этому пину имя LED:
const int LED = 13;
void setup() {
// Инициализация цифрового пина
// для вывода:
pinMode(LED, OUTPUT);
}
void loop() {
// Подать уровень логической единицы
// на пин 13 (зажечь светодиод):
digitalWrite(LED, HIGH);
// Приостановить выполнение скетча
// на секунду:
delay(1000);
// Подать уровень логического нуля
// на пин 13 (потушить светодиод):
digitalWrite(LED, LOW);
// Снова приостановить выполнение
// скетча на секунду:
delay(1000);
}

Обрати внимание на функции setup и loop. Они должны присутствовать в любом Arduino-скетче. Setup вызывается единожды при включении или после перезапуска контроллера. Если хочешь, чтобы код выполнялся только один раз, его следует размещать именно здесь. Чаще всего это всевозможные процедуры инициализации чего-либо. Наш скетч не исключение: цифровые пины Arduino могут работать и как входы, и как выходы. В функции setup мы говорим, что пин 13 будет работать как цифровой выход контроллера.

Фото
Рис. 2 Другая плата

После того как функция setup завершит свою работу, автоматически запускается замкнутый цикл, внутри которого будет вызываться функция loop. От нас требуется написать, что мы хотим там выполнять. А мы хотим подать на пин 13 уровень логической единицы (5 В), то есть зажечь светодиод, затем подождать одну секунду (1000 в миллисекундах), потом подать уровень логического нуля (0 В) и опять подождать одну секунду. Следующий вызов loop все повторит.

Фото
Рис. 3 Другой рисунок

Ключевой вопрос

А сколько, собственно, нам нужно ног? Определимся во множестве конфигураций шагающих роботов. По количеству ног:

biped — двуногий (прототип — человек);

quadruped — четвероногий (прототип — большинство млекопитающих животных);

hexapod — шестиногий (прототип — большинство насекомых);

octopod — восьминогий (прототип — пауки, скорпионы, крабы и другие членистоногие).

Кроме количества ног, важна и конфигурация каждой. Главной характеристикой ноги является количество степеней свободы, или dimensions of freedom (DOF). Степень свободы — это способность поворачиваться или изгибаться вокруг одной оси (реже — поступательно двигаться вдоль нее). Очевидно, что если степень свободы одна, то на такой ноге далеко не уйдешь. Ноги с двумя степенями свободы (2DOF) уже позволяют двигаться многоногим роботам, хотя 2DOF дает возможность свободно перемещать кончик ноги только в одной плоскости. А 3DOF-нога перемещает «стопу» в 3D-пространстве (если, конечно, не все три оси параллельны). Есть и 4DOF-ноги, которые просто увеличивают гибкость и диапазон перемещения ноги. У насекомых чаще всего 4DOF-лапы.

Что это значит для нас? В дешевых любительских роботах каждую степень свободы реализует один двигатель, точнее, сервопривод, или серв. Конфигурация ног однозначно определяет, сколько таких сервов нужно. Так, 3DOF-гексапод потребует 18 сервов, а 4DOF-паук — уже 32. Не пугайся количества, маленькие сервоприводы, используемые в любительских радиоуправляемых моделях, очень дешевы. В интернет-магазинах их можно найти по запросу micro servo.

Чтобы программировать сервоприводы, достаточно знать, что в них уже есть контроллер, который делает основную работу. И все, что нужно, — подавать питание и цифровой сигнал, сообщающий контроллеру, в какую позицию мы хотим повернуть вал привода. Об их конструкции легко найти информацию. Протокол у них самый простой из всех цифровых протоколов связи: широтно-импульсная модуляция — ШИМ (PWM на английском). У всех простых сервов есть разъем с тремя контактами: земля, +5 В (вольтаж может отличаться в зависимости от размера и мощности) и сигнальный вход. Arduino-контроллеры могут двумя различными способами генерировать такой сигнал. Первый — аппаратный PWM, который сам чип умеет выдавать на нескольких из своих цифровых I/O-пинов. Второй — программный. Программный позволяет получить одновременно больше различных PWM-сигналов, чем аппаратный. Для него под Arduino предоставляется удобная обертка — библиотека Servo. Она позволяет использовать одновременно 12 сервоприводов на большинстве малогабаритных контроллеров (Uno, Due, Nano) и 48 сервоприводов на Arduino Mega и ему подобных. Сигнальный контакт серва подключается к цифровому выводу Arduino. Земля и питание — очевидно, к земле и питанию, они могут быть общими для всех сервов. В трехпроводных шлейфах сервов черный или коричневый — это земля, посередине обычно красный +5 В и, наконец, белый или желтый — сигнальный. С программной точки зрения управление предельно простое:

Servo myservo;
// Сервопривод на 9-м пине Arduino
myservo.attach(9);
// Повернуть в положение на 90º
myservo.write(90);

Большинство сервов умеют вращать вал на 180°, и для них 90° — среднее положение. Для упрощения подключения сервов к плате Arduino существует ряд решений. Самое каноничное — это Sensors Shield. Установив его на Uno и подав на клеммы питание для сервов, можно их разъемы подключать прямо в него.

Батарея

Еще один важный вопрос — питание. Если у тебя продвинутая плата, которая позволяет снабжать всю систему по одной линии питания (и двигатели сервов не дадут помех в работу контроллера), то можно обойтись одним источником. Выбор огромен, лучше всего, конечно, Li-Ion/Li-Po брикеты для радиомоделек. Но им нужны и соответствующие зарядные устройства. Если у тебя контроллер попроще (Uno/Due/Nano), то можно питать его отдельно, например 9-вольтовой «Кроной», а сервоприводы подключить к основной мощной батарее. Так сервоприводам точно хватит питания. В случае литиевых аккумуляторов нужно еще тщательней, чем обычно, следить за напряжением, чтобы не было переразряда (допустимые напряжения стоит уточнить для конкретного типа батареи). Для этого на робота-Слейпнира, о котором дальше пойдет речь, также прикручен маленький цифровой вольтметр.


sgu64@mail.ru © 2018, СФЕРА-САРАТОВ СГУ