Ходовая часть мобильных роботов

Выбор двигателей

Итак, когда структура ходовой части выбрана, следует определить, какие двигатели будет использовать наш робот. На выбор: коллекторные двигатели постоянного тока с редуктором, сервопривод MG995 360⁰ постоянного вращения (скорость вращения задается сигналом на входе управления), шаговые двигатели. Их параметры представлены в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Сравнительные параметры различных типов двигателей

Что мы здесь видим?

• Коллекторные моторы с пластиковым редуктором — самые простые и самые дешевые.
• Сервопривод MG995 360⁰ — наиболее экономичный по ресурсам контроллера Arduino. При его использовании хорошо регулируется скорость движения робота, если скорость колес нужно менять постоянно и держать в заданных пределах. Скорость оборота колеса, вращаемого сервоприводом, зависит только от установленного на порту управления значения сигнала, и при увеличении сопротивления (когда, например, робот движется в гору) меняется слабо, в то время как двигатель постоянного тока без обратной связи по скорости изменяет скорость своего вращения в зависимости от нагрузки.
• Шаговый двигатель следует применять там, где нужна точность, и если это необходимо, обратитесь к книге «Мобильные роботы на базе ESP32 в среде Arduino IDE»^[1], там как раз используются шаговые моторы в качестве ходовой части. Шаговым двигателем также можно держать постоянную скорость.

Все три вида двигателей применяются в ходовых частях колесных роботов, и выбор зависит от требований, предъявляемых к роботу.

Однако мы только учимся, и сверхскоростной болид нам ни к чему, скорость реакции и скорость вращения не важны, а вот низкая стоимость имеет определяющее значение на начальном этапе. Поэтому для дальнейшего рассмотрения выбираем самое распространенное решение: коллекторный мотор с пластиковым редуктором.

Драйверы двигателей

Платы Arduino, кроме специализированных, не поддерживают возможностей управления двигателями постоянного тока напрямую, и для этого нужно применять специализированные микросхемы, называемые драйверами двигателей. Наиболее распространенные из них приведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Специализированные микросхемы драйверов двигателей (на платах)

Все три платы драйверов подходят для управления направлением вращения и мощностью коллекторных двигателей постоянного тока. Они также могут применяться и для управления шаговыми двигателями.

Рис. 5.6. Плата драйвера TB6612FNG

Драйверы TB6612 и L298N имеют отдельные входы управления мощностью моторов (PWMA–PWMB и ENA–ENB соответственно), но если на эти входы подать высокое логическое напряжение (5 вольт), то управление драйверами TB6612, L298N и MX1508 будет осуществляться схоже по входам AIN1–AIN2 и BIN1–BIN2 — для TB6612, а также IN1–IN2 и IN3–IN4 — для L298N и MX1508. Именно такие режимы работы мы и будем использовать, чтобы наша программа вела себя одинаково и независимо от того, какой драйвер моторов вы решили использовать в своей модели.

Рис. 5.7. Плата драйвера MX1508

Рис. 5.8. Плата драйвера L298N

В табл. 5.3 приведены значения сигналов на входах и показана соответствующая реакция двигателя.

Таблица 5.3. Значения сигналов на входах и соответствующая реакция двигателя

Таблица 5.3 (окончание)

Сборка макета

Для закрепления материала полезно собрать несколько макетов, которые продемонстрируют работу двигателей постоянного тока вместе с драйвером L298N, можно также выполнить этот тест и на MX1508, а подключение TB6612FNG мы рассмотрим позднее.

Управляем двигателем без Arduino

Возьмем драйвер L298N (или MX1508), двигатели постоянного тока, аккумуляторы с боксом, провода, керамические конденсаторы 0,1 мкФ (маркируются числом 104) — они нужны для исключения электромагнитных наводок, которые возникают при работе двигателей и могут стать причиной сбоев в работе электроники робота, и паяльник. При пайке легко испортить поверхность стола, поэтому используйте фанеру или постелите на место работы с паяльником пару листов бумаги.

Очистим и залудим паяльником двужильный провод (или пару одножильных),
затем залудим контакты двигателя и ножки конденсатора (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Двигатель постоянного тока, керамический конденсатор и провода

Обмотаем ножки конденсатора вокруг залуженных кончиков проводов, как показано на рис. 5.10, — теперь ножки конденсатора хорошо держатся на проводе, и их легко можно припаять (рис. 5.11).

Рис. 5.10. Ножки конденсатора обмотаны вокруг оголенных концов провода	Рис. 5.11. Пайка конденсатора

Далее припаяем кончики проводов к залуженным контактам двигателя (рис. 5.12). Если лужение контактов двигателя проходит плохо, аккуратно зачистите контакты перочинным ножом или обработайте паяльной кислотой (после паяльной кислоты нужно промыть контакты спиртом или водой).

Готовый к работе двигатель показан на рис. 5.13.

Рис. 5.12. Припаивание проводов к контактам двигателя

Рис. 5.13. Двигатель с припаянными проводами и конденсатором

Рис. 5.14. Схема тестирования двигателя

Качество пайки можно проверить, присоединив двигатель к аккумуляторам (рис. 5.14), — если двигатель не работает, значит, пайка выполнена некачественно (предварительно проверьте наличие напряжения на контактах аккумуляторного бокса!).

Теперь, когда двигатели готовы, приступим к сборке схемы, изображенной на рис. 5.15. Перемычки на контактах ENA и ENB драйвера не убираем!

Рис. 5.15. Схема управления двигателями без контроллера Arduino

Двигатели подключаются к драйверу через винтовые зажимы, также подключается и аккумуляторный бокс, для контактов IN1–IN4 драйвера L298N лучше использовать провода с готовыми клеммами Dupont (см. главу 2), а для MX1508 требуется пайка.

Подключая 5 вольт к различным контактам IN1–IN4, можно проследить, как изменяется вращение двигателей M1 и M2 (используйте данные табл. 5.4).

Подсказка

Контакты IN1 и IN2 отвечают за работу двигателя М1, а IN3 и IN4 — двигателя М2.

Широтно-импульсная модуляция

Проведем наглядный эксперимент: отключим контакт IN1 мотора М1, а контакт IN2 будем руками быстро подключать к напряжению 5 вольт и отключать от него, — мотор станет вращаться с заметными рывками.

Если же делать эту операцию с высокой скоростью — такой, на которую способен контроллер, то вал мотора будет вращаться без рывков, но мощность на валу окажется меньше, чем при постоянно включенном IN2. То есть передаваемая на вал мощность зависит от частоты переподключения и длительности включения, и если время включения мало, а время отключения относительно времени включения
велико, то и выдаваемая мощность будет мала, и наоборот. Этот подход к регулированию мощности вращения двигателей постоянного тока называется широтно-импульсной модуляцией.

Мы в наших проектах будем использовать шкалу мощности от 0 до 255, где число — это относительная длительность импульса включения мотора за период (рис. 5.16). А чтобы иметь возможность изменять направление вращения, задействуем и отрицательную шкалу: –255…0…255, при этом изменяя вход драйвера, на который подается сигнал (при положительном вращении — на IN1, при отрицательном — на IN2 для мотора М1 и IN3/IN4 — для мотора М2).

Рис. 5.16. Принцип работы ШИМ

Подключаем контроллер Arduino

Поскольку у нас есть три разных драйвера управления моторами, рассмотрим для них такие схемы подключения, которые позволят использовать один универсальный программный код.

Добавим к собранной схеме контроллер Arduino и научим его управлять двига-
телями. Дополнительно нам потребуется несколько проводов с клеммами Dupont.

Рис. 5.17. Схема управления двигателями для драйверов L298N и MX1508

На рис. 5.17 показана схема подключения драйверов L298N и MX1508, на рис. 5.18 и 5.19 — схема подключения TB6612FNG (она несколько сложнее).

Дело в том, что подключение драйвера TB6612FNG потребует немного больше соединений, т. к. нужно подать логическую единицу (5 вольт от Arduino) на контакты VCC, PWMA, PWMB и STBY, в остальном же схема схожа с подключением L298N и MX1508. Чтобы исключить на рисунках пересечение соединений и неверную их трактовку, схема подключения драйвера TB6612FNG разбита на две части: подключение силовой части (рис. 5.18) и логической части (рис. 5.19).

Удобно при этом задействовать дополнительные платы, которые упрощают реализацию соединений, — например Arduino Sensor shield V5.0 (для Arduino Uno) или NANO V3.0 Shield (для Arduino Nano).

Далее приведены примеры управления вращением двигателей при помощи программы, работающей на контроллерах Arduino UNO, Arduino Nano и Arduino Pro Mini.

Рис. 5.18. Схема управления двигателями для драйвера TB6612FNG (силовая часть)

Рис. 5.19. Схема управления двигателями для драйвера TB6612FNG (логическая часть)

Подключаем библиотеку mobrob3.zip и пишем тестовую программу

Специально для этого издания книги ее автор разработал библиотеку mobrob3.zip.
В ней, в частности, содержится модуль управления мощностью пары моторов
(см. далее).

Электронный архив

Электронный архив, включающий библиотеку mobrob3.zip, можно скачать с сервера издательства «БХВ» по ссылке https://zip.bhv.ru/9785977517034.zip или со страницы книги на сайте https://bhv.ru/ (см. приложение).

Перед использованием библиотеку mobrob3.zip нужно добавить в Arduino IDE стандартным способом: Скетч | Подключить библиотеку | Добавить .ZIP библиотеку, и выбрать с диска файл mobrob3.zip. В результате все модули и примеры из этой книги (по главам) станут доступны в Arduino IDE. Для управления моторами в библиотеку включен модуль mobrob3xmotor.h, в котором учтены некоторые особенности управления моторами для генерации ШИМ, заключающиеся в том, что в качестве левых моторов будущего робота можно использовать только контакты GPIO 2 и 3 (менять их местами можно), а для правого мотора — только 4 и 5 (их также можно менять местами, чтобы добиться вращения в нужную сторону). Подобное ограничение связано с тем, что генерация ШИМ возможна только на контактах 3 и 5 GPIO.

Логика работы тестовой программы управления двигателями (листинг 5.1) следующая.

В бесконечном цикле:

1. Отключаем оба двигателя.
2. Ждем 1 секунду.
3. Подключаем двигатель 1 на полную мощность по часовой стрелке.
4. Ждем 1 секунду.
5. Отключаем двигатель 1.
6. Ждем 1 секунду.
7. Подключаем двигатель 1 на полную мощность против часовой стрелки.
8. Ждем 1 секунду.
9. Отключаем двигатель 1.
10. Возвращаемся на пункт 1.

Самостоятельно измените эту программу для управления двигателем 2.

Листинг 5.1. Тестовая программа управления двигателями

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29

// Контакты управления левого мотора только 2 и 3.
# define GPIO_1F 2
# define GPIO_1B 3
// Контакты управления правого мотора только 4 и 5.
# define GPIO_2F 4
# define GPIO_2B 5
 
// Подключаем библиотеку управления моторами.
#include < mobrob3xmotor.h>
void setup()
{
// Вызываем функцию инициализации моторов.
motor_setup();
}
 
// Основная программа.
void loop()
{
motors_power(0, 0); // Отключены оба.
delay(1000);
motors_power(255, 0); // Включен мотор 1 +
delay(1000);
motors_power(0, 0); // Отключены оба.
delay(1000);
motors_power(-255, 0); // Включен мотор 1 -
delay(1000);
// Проделайте те же операции для двигателя 2 самостоятельно.
// ....
}

Добавляем регулирование на основе ШИМ

Рассмотренная и подключенная в предыдущем разделе библиотека mobrob3.zip уже содержит модуль mobrob3xmotor.h, который может регулировать мощность моторов при помощи ШИМ.

Напомню, что значения ШИМ в Arduino могут изменяться от 0 до 255. На практике вал двигателя не сразу начнет вращаться — сначала (при малых значениях) двигатель станет гудеть и лишь по достижении определенного значения ШИМ начнет медленно увеличивать обороты, что связано с недостатком мощности для компенсации сил трения.

Тестовая программа управления двигателями с регуляцией на основе ШИМ

Логика работы этой тестовой программы (листинг 5.2) следующая.

В бесконечном цикле:

1. Отключаем оба двигателя.
2. Ждем 1 секунду.
3. Далее в цикле через 100 миллисекунд увеличиваем мощность от 70 до 255 для обоих моторов.
4. Далее в цикле через 100 миллисекунд уменьшаем мощность от 255 до 70 для обоих моторов.
5. Возвращаемся к пункту 1.

Итогом работы программы будет ускоряющееся вращение двигателей в одну сторону, а затем такое же торможение и остановка.

Самостоятельно измените программу так, чтобы моторы разгонялись в разные стороны.

Листинг 5.2. Тестовая программа управления двигателями с регуляцией на основе ШИМ

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31

// Зададим номера контактов управления моторами.
// Контакты управления левого мотора только 2 и 3.
# define GPIO_1F 2
# define GPIO_1B 3
// Контакты управления правого мотора только 4 и 5.
# define GPIO_2F 4
# define GPIO_2B 5
// Подключаем библиотеку управления моторами.
#include <mobrob3xmotor.h>
void setup()
{
// Вызываем функцию инициализации моторов.
motor_setup();
}
//=================================================================
// Основная программа.
void loop()
{
motors_power(0, 0);
delay(500);
for (int i = 70; i < 255; i++)
{
motors_power(i, i);
delay(100);
}
for (int i = 255; i > 70; i--)
{
motors_power(i, i);
delay(100);
}
}

Выводы

Итак, тип ходовой выбран — это колесная ходовая часть с двумя ведущими колесами. Выбран и используемый тип двигателей — это двигатель постоянного тока
с понижающим редуктором. Рассмотрен способ управления двигателями посредством специального драйвера. Определен порядок подключения и управления двигателями.

Для закрепления теоретических знаний собраны и опробованы на практике различные схемы управления двигателями постоянного тока. Следующий шаг — сборка базовой модели робота.

1. См. https://bhv.ru/product/mobilnye-roboty-na-baze-esp32-v-srede-arduino-ide/. ↑