Как сделать самому Луноход

Если в детстве у тебя не было велосипеда, а теперь у тебя Бентли,
то всё равно в детстве у тебя велосипеда не было.

Так уж получилось, что в моём детстве не было Лунохода. А тут ещё и ребёнок родился. В общем, я подумал, и решил сделать игрушку нам обоим.

Создавать точную копию не хотелось, да и не умею я печатать корпуса дома, поэтому решил ограничиться воссозданием похожей функциональности. Кроме того, мне показалось негуманным вводить «программу» движения по памяти и не понимать, что именно получилось ввести, поэтому добавил дисплей.

Версия 1

Под рукой было недорогое шасси с Ebay и Arduino Uno.

Для управления моторчиками я взял PWM Servo Shield и на макетной плате спаял L293D + PCF8574:

Для считывания с клавиатуры взял PCF8574 и горсть диодов:

Саму клавиатуру сделал печатной платой:

Дабы клавиатура не разваливалась в руках, закрепил сверху накладку. Её пришлось заказать у «фрезеровщиков» :)

Для отображения программы используется обычный дисплей 20 на 4 символа. Да, тоже через PCF8574 ;)

Для питания сначала использовал 4 батарейки, но они слишком быстро садились, и я заменил их на пару аккумуляторов 18650:

Для зарядки использовал модули TP4056, которые присоединил через реле к аккумуляторам, правда, не очень успешно.

Быстрее всего получилось написать прошивку. К сожалению, оказалось, что библиотека I2C LCD имеет лицензию GPL, и код отправился в корзину. Примерно тогда же я понял, что Arduino Uno не самый удачный вариант, и что горсть PCF8574 очень неудобно паять.

И я решил начать сначала.

Версия 2

Учёл предыдущий опыт, который подсказывал, что есть несколько проблем:

• Шасси с Ebay сделано из оргстекла и очень (!) хрупкое (я перетянул винт крепления редукторов и крепление просто сломалось).
• На шасси много крепёжных отверстий, но ни одного подходящего.
• Вместе с шасси идут редукторы 1:48, но они слишком шустрые.
• И вообще шасси маловато.
• У Arduino Uno мало «ног».
• Нет звукового модуля (а он нужен для команды «огонь»).
• Про Li-ion в интернете пишут страшилки, давать ребёнку потенциально опасное устройство не хочется.

В результате купил:

• Редукторы 1:120.
• Моторы с двумя валами (в надежде установить потом ПИД-регулятор).
• Модуль L293.
• Arduino Mega.
• Много цветных шлейфов!
• Свинцово-кислотный аккумулятор на 6В (он не так быстро садится, отдаёт больший ток, и он тяжелый — колёса меньше «шлифуют»).
• УЗ-датчики в качестве датчиков препятствий.
• Третье колесо в виде шарика.
• Тактовые кнопки.
• Толкатель кнопки.
• Щелевой датчик.

Кроме того:

• Дисплей LCD 2004 (5В) остался от версии 1.
• Спаял ЦАП R-2R на монтажной плате (вот здесь есть схема в KiCAD и 3D-модель).

Achtung! Warning! Attention! Данные ссылки приведены исключительно для иллюстрации и упрощения дальнейшего поиска деталек. Я не могу гарантировать, что продавец внезапно не поменяет лот на какой-то другой, не изменит цену, количество и т.п.

Железо

Клавиатуру я перенёс на печатную плату (пожалуй, это единственный сложный для повторения элемент). Накладку на клавиатуру мне отфрезеровали на заказ.

Оставался вопрос: из чего же сделать шасси? Пластика подходящего не было, металл тяжело обрабатывать… А если взять фанеру? «Но это же не эстетично!», подумал было я. Но когда через полчаса я получил нормальное шасси, то изменил мнение. Шасси было не очень презентабельно и отправилось в корзину, но скорость обработки так понравилась, что я решил и дальше использовать фанеру.

Правда, второй лист я начал пилить только после того, как нарисовал примерный план:

Для крепления моторов отрезал кусок алюминиевого уголка и высверлил:

Платы закрепил на шестигранных стойках и соединил между собой шлейфами.

(здесь же можно заметить стабилизатор на 5В и немного контактов питания).

Проводов питания оказалось многовато, поэтому я сделал из stripboard плату питания (подробности здесь). Подозреваю, что можно взять обычный sensor shield, у которого выводов питания с избытком.

Так как расширителей ввода-вывода больше не было, клавиатуру пришлось переделать (исходники). Я перенёс на неё диоды и резисторы подтяжки:

В качестве датчика оборотов использовал щелевую оптопару и шестерню (раскрасил её перманентным маркером):

В качестве третьего колеса использовал шарик:

Изначально там была опора в виде колёсика на коромысле, которая шла вместе с шасси. Однако при изменении направления движения колёсико начинало разворачиваться в самый неожиданный момент и тележку бросало в сторону.

Схема соединений

Лучше всего посмотреть файлы consts.h и lcd.ino, они содержат самую актуальную информацию. Соединения, как они есть сейчас, выглядят так:

Картинка кликабельна.

Прошивка

Прошивка, по сути своей, представляет обыкновенную программу, написанную в Arduino IDE. Режимов работы два: редактирование и выполнение. В процессе редактирования с клавиатуры принимается команда + количество повторений. Всё это упаковывается в 16-битное значение и складывается в массив в RAM. При выполнении программы из массива выгребаются значения и выполняются. Выполнение одного шага (в очень упрощённой форме) выглядит так:

если (уже работаем)
  проверить счётчик пройденного пути
  если (счётчик >= требуемая дистанция),
    подождать немного
        перейти к следующей команде
  иначе
    инкремент счётчика
иначе
  выключить двигатели
  взять очередную команду
  включить двигатели
  требуемая дистанция = константа*число повторений из команды

Пройденный путь определяется по количеству импульсов с оптопары, которая проверяется в прерывании таймера.

Единственное исключение — проигрывание звука. Если встречается команда «выстрел», то запускается простейший цикл for, который выгребает значения из wav-файла (он прошит в той же flash-памяти, что и программа) и выдаёт их на ЦАП R-2R. Когда значения заканчиваются, происходит возврат к обычному процессу выполнения программы.

К сожалению реальный мир несколько отличается от программной модели, на которую рассчитана прошивка, поэтому я добавил некоторое количество задержек, которые позволяют учесть инерцию шасси.

Я сознательно поставил MIT-лицензию. В моём понимании прошивку с такой лицензией можно свободно использовать как угодно, без необходимости публиковать дальнейшие изменения (не хочу никого ни к чему принуждать).

Руководство по эксплуатации ;)

Клавиатура слегка отличается от «классического» Лунохода:

• Слева расположен блок команд (зелёные — куда ехать, красная — пауза, снизу — Out, огонь, повтор).
• В середине — цифры с количеством повторений.
• Справа 8 клавиш управления (чёрная — удалить последнюю команду, красная — удалить всё, зелёная — запуск, жёлтая — запуск последней команды, синие — тест, серые — запасные).

Ещё раз табличкой:

Программа вводится поочерёдным нажатием «Команда» и «Цифра». Потом жмём зелёный «Запуск» и смотрим на результат. Удаление происходит по нажатию красной кнопки, но не сразу: надо подтвердить своё решение нажатием зелёной кнопки «Запуск». При выключении питания программа удаляется.

Команда «Повтор» содержит один параметр: сколько шагов нужно повторить [один раз]. Пример: Fwd1, Pause1, Bwd1, Loop3; в результате команды Fwd1, Pause1, Bwd1 будут выполнены два раза. Первый раз потому, что они есть в программе, второй — потому что так указано в команде «Цикл».

На всякий случай контролируется заряд аккумулятора. Если он слишком мал, то выводится предупреждение и игрушка не едет.

GUI

Держать в голове всю программу тяжко, поэтому я прикрутил простейший индикатор, на котором дублируется вводимая информация.

После запуска отображается приглашение:

При вводе команды в левом верхнем углу отображается значок команды и количество повторений:

Если введено больше одной команды, снизу будет список (по сути, программа), а сверху всё так же будет отображаться вводимая команда:

Почему получилось именно так

Игрушка создавалась из того, что было под руками или легко достать. Отдельно хочется сказать про Arduino. Она выбрана по нескольким причинам:

• У неё подходящее количество выводов, а их надо много (43):
  • 6 для управления моторами;
  • 8+4 для клавиатуры;
  • 11 для LCD;
  • 3 для ЦАП;
  • 8 для УЗ-датчиков;
  • 2 для датчиков оборотов;
  • 1 для замера напряжения на аккумуляторе.
• Я знаком с этой платформой.
• Она прошивается в один клик.
• От микроконтроллера не требуется каких-то гигантских скоростей или объёмов памяти.
• И особой экономичности тоже не требуется, т.к. 90 % тока потребляют моторы.

Что можно улучшить

Шасси. При резком старте колёса «шлифуют» и игрушка сбивается с курса. Можно попробовать сделать шестиколёсное шасси, или вообще гусеничное (на Aliexpress есть, но я пока не пробовал).

GUI. Сейчас на индикатор выводится только минимальный объём информации, и делается это самым простым способом.

Код. Пулитцера я точно не получу.

Звук. Есть дешевые и очень мелкие mp3-плееры. Можно смело выкинуть ЦАП R-2R и заменить его на готовый плеер.

Резервные кнопки. Можно сделать запись готовой программы в EEPROM, чтобы она не терялась при выключении питания. Реализация может быть как в магнитолах: при длинном нажатии программу сохраняем, при коротком — запускаем.

Кнопка Out. На данный момент не реализована. Можно прикрутить что-то типа реле/сервы к одному из выводов Arduino.

Благодарности

• Ребёнку, который мотивировал меня всё это время.
• Жене, которая терпеливо ждала, пока я наиграюсь, и помогала с Corel Draw!
• Сергею Дудникову, который отрисовал накладку на клавиатуру.
• Андрею Шишкову, который эту самую накладку фрезеровал.
• Антону, который сделал мне отличный mp3 со звуком «пиу!».
• hudbrog, за идею реализовать ПИД-регулятор!
• Чатику самодельщиков, которые меня морально поддерживали и вынужденно смотрели на промежуточные итоги работы ;)

Неудачные дубли

Мне нравятся фильмы с Джеки Чаном, потому что в конце есть нарезка неудачных дублей. У меня без них тоже не обошлось. Больше всего меня удивил тот факт, кто круглое сверло с двумя канавками даёт треугольное отверстие ;)

Автор: JustMoose

Источник