А ты построил собственного балансирующего робота?

Если уж бесполезный ящик имеет право на жизнь, то эта милая и познавательная игрушка и подавно. Она не требует больших трудозатрат, освежает знания физики и математики, увеличивает чувство собственной важности конструктора, повышает его авторитет в глазах представителей противоположного пола и младшего поколения.

Прогресс в развитии микроэлектромеханических систем (MEMS) привел к тому, что к началу 10-х годов XXI века гироскопы и акселерометры уменьшились до размера булавочной головки и стоят в розницу пару долларов. Чем не преминули воспользоваться разнообразные гики, создавшие устройства с недостижимыми ранее характеристиками — висящие на одном месте как влитые квадрокоптеры, «чувствующие» свое перемещение в пространстве игровые контроллеры, летящие точно в цель самодельные баллистические ракеты способные сохранять вертикальное положение транспортные средства типа Segway.
Последний в свое время произвел фурор и породил армию почитателей, которые возжелали построить если не его полный аналог, то хотя бы действующую модель.

Вот и я, насмотревшись роликов на Youtube по запросу «балансирующий робот», в один прекрасный день решил, что тоже хочу повторить подобную конструкцию. Для этого были куплены:

— шасси для построения самодвижущихся роботов: акриловая пластина, два моторчика с червячными редукторами, надеваемые на оси редукторов колеса, батарейный отсек и сопутствующая мелочь;

— модуль для Arduino с распаянным чипом MPU6050, представляющим из себя трехосевой гироскоп и трехосевой акселерометр;

— коммутатор нагрузки типа «H-мост». Мощность для маленьких моторчиков явно избыточна, но пускай будет. Может когда придется применить для привода мощного шагового двигателя;

Для ссылок найдены аналогичные товары по минимальной цене у продавцов с хорошей репутацией. Оригинальные ссылки уже не актуальны.

Уже имелись в наличии:

— Arduino Nano были куплены с запасом еще в те времена, когда вода была мокрее USB-UART преобразователи в них делались на FT232, а не на CH340;

— лишний понижающий преобразователь тоже, как мне кажется, есть у любого любителя электронных поделок.

Программная часть и немного теории.

Алгоритм балансирующего робота опирается на некоторое количество матана.
Данные с гироскопа и акселерометра получаются по шине I2C, разделяются на компоненты и поступают на вход фильтра Калмана. На выходе фильтра получаем данные о положении в пространстве, усредненные и очищенные от шума. В нашем случае нас интересует угол только в одной плоскости. Текущее положение угла передается в PID-алгоритм (пропорционально-интегрально-дифференциальный), который на основании текущего угла наклона и его динамики во времени принимает решение о скважности и полярности сигналов на электромоторы управления положением. Поскольку в нашем случае управлять направлением движения робота мы не планируем, сигналы на левый и правый электромотор подаются одинаковые.



Желающие досконально разобраться в математике процесса без проблем найдут поиском в сети статьи о фильтре Калмана и PID-регулировании.
В нашем же случае будем пользоваться готовыми библиотеками в качестве «черных ящиков», целиком полагаясь на то, что авторы библиотек свою работу сделали хорошо.
В этом и заключается главная особенность Arduno, за которую она любима нубами и ненавидима труъ-эмбеддерами: поделки можно собирать из программных модулей как из кирпичей, вообще не догадываясь об их внутреннем функционировании.

Код: drive.google.com/open?id=0ByfpVoSE6ehYem4tVG45MW5kZ3M

В скетче собственно моего кода не более 20%. Все остальное честно скопировано из чужих работ. Копирайты потеряны, но оригиналы всегда можно нагуглить используя строки кода в качестве запросов.

Аппаратная часть.

Отрезаем нижнюю часть оргстекла, подогрев изгибаем ее на 90 градусов, и прикручиваем винтами с другой стороны. Это будет полка для «приборного отсека» робота.



Прикрепляем электромоторы к нижней части и припаиваем к ним провода.



Крепим подходящими винтами коммутатор нагрузки и подключаем к нему электромоторы.



Собираем на макетке управляющую часть.



Паяем «подсистему питания». Напряжений питания будет два: стабилизированные 5 вольт для питания логики и прямой выход с батареи для питания моторов.



Собираем все вместе.



Приклеиваем компоненты на полке на двухсторонний скотч. Выглядит брутальненько, как и полагается настоящему роботу.



Ну и самый волнующий вопрос: заработало ли устройство? Да, заработало практически сразу:



Конечно, по сравнению со «взрослыми» устройствами (с энкодерами, бесколлекторными моторами, продвинутыми алгоритмами и тщательным подбором коэффициентов) устойчивость оставляет желать лучшего, но для демонстрации возможностей сойдет.