Плата расширения Arduino для создания роботов. Часть 1 - Общие элементы аппаратной части.

Идея этой статьи заключается в объединении некоторых конструкций роботов и преобразовании их в устройство с новой аппаратной и стандартной программной частью (Arduino, конечно), и, таким образом, в упрощении разработки и использования подобных устройств. Представленные в статье конструкции роботов имеют три общих момента: механическая структура, аппаратное и программное обеспечение. В то время, как механика роботов обязательно отличается друг от друга, мы хотели понять, есть ли аппаратная процессорная плата, которая может стать общей для них, имея при этом свою среду разработки. При выборе, что вполне очевидно, остановились на платформе Arduino, которая со своей средой разработки идеально подходит для создания подобных проектов (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Внешний вид роботов под управлением Arduino.

В статье рассматриваются три различных робота, которые получили условные имена Filippo, Bipe и Spider.

Первое, что было нами проанализировано, это возможность управлять с помощью платы Arduino несколькими сервоприводами, в случае с роботом Spider восемью. Питание для платы Arduino может быть в пределах 6 – 12 В, на самой плате установлен регулятор напряжения 5 В, необходимого для работы микроконтроллера, периферии и наших плат расширения. Мы могли питать наших роботов от аккумуляторов. Для стандартного сервопривода требуется питание 4.8 - 6 В, которое легко получить с помощью четырех аккумуляторов, включенных последовательно. При полном заряде аккумуляторов напряжение питания составит 1.5 В × 4 = 6 В, но при полном разряде напряжение питания составит лишь 4 В. Такие условия не являются оптимальными для нашего проекта. Поэтому было решено создать специальную плату расширения (Рисунок 2), которая проста в установке и использовании, и отвечает следующим требованиям функции:

• имеет широкий диапазон напряжения питания;
• обеспечивает стабилизированное выходное напряжение для питания сервоприводов;
• обеспечивает питанием плату Arduino;
• оборудована датчиком препятствий;
• оборудована приемником команд с ИК пульта дистанционного управления;
• поддерживает слежение за напряжением питания и напряжением батареи.

Для питания платы можно использовать один аккумулятор с напряжением 6 – 12 В или несколько LiPo, NiMh или NiCd аккумуляторов. Для сервоприводов требуется напряжение 5 В, поэтому нам необходимо получить его непосредственно от входного напряжения. Оптимальным решением для этого является использование импульсного понижающего преобразователя, который обеспечивает эффективность свыше 80% в любой ситуации.

Рисунок 2.	Внешний вид платы расширения, которая позволяет использовать платформу Arduino для управления роботом.

Простая микросхема серии LM2576-5 содержит в себе все необходимые элементы для создания импульсного источника питания. Требуется лишь добавить катушку индуктивности, диод и конденсатор. Микросхема обеспечивает максимальный выходной ток до 3 А и работает при входном напряжении 4 – 40 В.

Рисунок 3.	Принципиальная схема платы расширения Arduino для создания робота.

На принципиальной схеме (Рисунок 3) вы видите коннектор BAT, к которому подключается батарея (аккумулятор), выключатель питания SW1, регулятор напряжения U1 LM2576. Резистор R5 и светодиод LD1 предназначены для индикации наличия питания. Стабилизированное выходное напряжение микросхемы U1 используется для питания всех сервоприводов, плата Arduino Uno питается непосредственно от батареи (вывод Vin) сразу после выключателя питания.

Для мониторинга напряжения батареи используется аналоговый вход платы Arduini A0. Делитель напряжения на резисторах R1 и R2 предназначен для снижения диапазона входного напряжения 0 – 20 В до диапазона 0 – 5 В. Мы выбрали эти конкретные значения сопротивлений, потому что при преобразовании аналоговой величины напряжения с помощью Arduino потребуется лишь разделить полученные данные на 50, чтобы получить значение напряжения батареи в вольтах.

В качестве датчика препятствий мы выбрали ультразвуковой сенсор SRF05, который, благодаря своей конструкции и форме, напоминает два глаза и улучшает эстетический вид наших роботов. Данные с датчика передаются в цифровой форме, поэтому подключается он к выводу D11 платы Arduino.

Для дистанционного управления была выбрана система управления на ИК лучах. Это самый простое и экономически выгодное решение, достаточно установить приемник команд, совместимый с пультом ДУ от телевизора или DVD плеера, например интегрированный фотодатчик PNA4602.

Также на плате установлена кнопка сброса, пользовательская кнопка и пользовательский светодиод, подключенный к выводу D13 платы Arduino.

Список использованных компонентов

В следующей части статьи мы рассмотрим конструкции роботов, алгоритмы работы и настройки.

Загрузки

Gerber-файлы платы расширения - скачать

open-electronics.org