การศึกษาทีละขั้นตอนในด้านวิทยาการหุ่นยนต์ด้วยชุดอุปกรณ์: 6 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

หลังจากสร้างหุ่นยนต์ของตัวเองมาสองสามเดือน (โปรดดูสิ่งเหล่านี้ทั้งหมด) และหลังจากที่ชิ้นส่วนล้มเหลวสองครั้ง ฉันตัดสินใจถอยออกมาและคิดใหม่เกี่ยวกับกลยุทธ์และทิศทางของฉัน

ประสบการณ์ที่สั่งสมมาหลายเดือนเป็นประสบการณ์ที่คุ้มค่า และหลายครั้งก็น่าหงุดหงิด หนักใจ และน่าผิดหวังมาก หลายครั้งดูเหมือนเดินหน้าสองก้าว ถอยหลังหนึ่งก้าว

และฉันเดาว่ามันเกิดจากหลายสิ่งหลายอย่างรวมกัน

เป้าหมายของฉันคือการสร้างหุ่นยนต์ "ของจริง" ไม่ใช่ของเล่น หุ่นยนต์ขนาดใหญ่ ทรงพลัง พร้อมชิ้นส่วนที่ทนทานและพลังงานแบตเตอรี่มากมาย ที่สามารถทำงานได้ (ทั้งวัน?) และยังทำงานแบบอัตโนมัติอีกด้วย ที่สามารถนำทางอพาร์ตเมนต์ของฉันได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหาย

แม้ว่าฉันจะก้าวหน้าไปอย่างช้าๆ แต่ปริมาณของการวิจัย การลองผิดลองถูก ลองทำดู ลองทำดู ซึ่งใช้เวลานานมาก และใช้พลังงานทางจิต/อารมณ์เป็นจำนวนมาก

หลังจากที่ชิ้นส่วนเดิมพังถึงสองครั้ง มันคงเป็นเรื่องบ้าที่จะเปลี่ยนใหม่อีกครั้งแล้วเดินต่อไป

ฉันเลือกที่จะปล่อยให้โปรเจ็กต์ "วอลเลซ" ปัจจุบันกลับไปอยู่บนชั้นวางด้วยใจที่หนักแน่น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อฉันใกล้จะรวม IMU เข้ากับซอฟต์แวร์ปฏิบัติการของหุ่นยนต์แล้ว

สิ่งที่ต้องทำตอนนี้

มันเกิดขึ้นที่ในสัปดาห์สุดท้ายของโครงการหุ่นยนต์ "ทำเอง" ในที่ทำงาน ฉันกำลังเรียนหลักสูตรซอฟต์แวร์ออนไลน์ หลักสูตรนี้ไม่เกี่ยวข้อง - สิ่งที่สร้างความประทับใจให้ฉันคือมันดีแค่ไหน ผู้สอนนำผู้ชมไปใช้งานจริงทีละขั้น และสามารถทำตาม หยุดวิดีโอชั่วคราว ทำปัญหาในการเขียนโปรแกรม (ทีละส่วนทีละน้อย) แล้วดูว่าวิธีแก้ปัญหาของแต่ละคนตรงกับผู้สอนอย่างไร

และยิ่งไปกว่านั้น ซีรีส์ทั้งหมดเกี่ยวกับโครงการซอฟต์แวร์จริง ซึ่งมีประโยชน์อย่างง่ายดายสำหรับความต้องการของธุรกิจเว็บไซต์ในโลกแห่งความเป็นจริง

คุ้มค่ามาก ไม่เครียด ไม่ต้องสงสัยว่า "ต่อไปจะเรียนอะไรดี จะไปทำ/เรียน 'X' ยังไงดี"

ดังนั้น ระหว่างสิ่งที่เกิดขึ้นในที่ทำงาน กับชิ้นส่วนที่ไม่ทำงานที่บ้าน และฉันเหนื่อยกับความพยายามมาก จนฉันต้องการบางอย่างที่คล้ายกับหลักสูตรออนไลน์ที่ฉันเรียนอยู่ แต่สำหรับการเรียนรู้วิทยาการหุ่นยนต์.

สิ่งที่ฉันไม่ต้องการคือทำซ้ำในช่วงสองสามเดือนที่ผ่านมา ฉันไม่ต้องการซื้อชุดหุ่นยนต์อีกตัวแล้วจึงดิ้นรนเพื่อทำสิ่งที่ฉันต้องการให้มันทำ และฉันก็ไม่ต้องการโซลูชันที่พร้อมใช้และสร้างขึ้นอย่างสมบูรณ์ เพราะแล้วฉันจะเรียนรู้อะไร ฉันทำ "assemble-your-first-robot" เสร็จแล้ว

ขั้นตอนที่ 1: วิทยาการหุ่นยนต์คือ …

ปัญหาของการเรียนรู้วิทยาการหุ่นยนต์จริงๆ คือมันมีอะไรเกี่ยวข้องกันมากมาย มันเป็นจุดตัดของอย่างน้อย (ถ้าไม่มาก) เหล่านี้:

• วิศวกรรมเครื่องกล
• วิศวกรรมไฟฟ้า / อิเล็กทรอนิกส์
• วิศวกรรมซอฟต์แวร์

แต่ละข้อข้างต้นสามารถอธิบายเพิ่มเติมได้ (ซึ่งฉันจะไม่ทำที่นี่) ประเด็นคือ: มีอะไรให้เรียนรู้มากมาย

ฉันตัดสินใจที่จะใช้วิธีสองง่ามและด้วยเหตุนี้ "คำแนะนำ" นี้เพื่อให้คุณผู้อ่านได้พิจารณา ฉันตัดสินใจที่จะจัดการหรือเริ่มต้นในสองทิศทางที่แตกต่างกันแต่เสริมพร้อมกัน

• ทบทวน / ปรับปรุง / เรียนรู้ / ขยายการวิเคราะห์วงจร DC และ AC
• ค้นหาหลักสูตร / โปรแกรมที่ผสมผสานระหว่างทฤษฎี / การบรรยายและการลงมือปฏิบัติ และหมุนรอบชุดหุ่นยนต์

ขั้นตอนที่ 2: วิศวกรรมไฟฟ้ากระแสตรงและไฟฟ้ากระแสสลับ

เหตุผลที่ฉันต้องการใช้เวลาเรียนรู้และทบทวนพื้นที่นี้เนื่องจากชิ้นส่วนหุ่นยนต์มักจะล้มเหลวเนื่องจากการที่ฉันไม่มีการป้องกันวงจรที่เหมาะสมในบางพื้นที่ หากคุณตรวจสอบ Instructables ที่เกี่ยวข้องกับหุ่นยนต์ ฉันยังคิดว่ามันดีและมีประโยชน์มากแม้ในตอนนี้ มันเป็นเพียงบางส่วนของชิ้นส่วนที่ล้มเหลว และหลังจากช่วงเวลาหนึ่งเท่านั้น

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หุ่นยนต์ได้รวมพื้นผิวระดับบนสุดซึ่งมีสิ่งที่ฉันเรียกว่า "วงจรรองรับ" เหล่านี้คือวงจรขยายพอร์ต GPIO และวงจรที่เกี่ยวข้องกับเซ็นเซอร์ บอร์ดฝ่าวงล้อม ชิป การจ่ายพลังงาน และการเดินสายที่จำเป็นในการตรวจสอบและควบคุมเซ็นเซอร์ทุกประเภท เพื่อให้หุ่นยนต์ปลอดภัยและเป็นอิสระ

มีเพียงไม่กี่ส่วนเท่านั้นที่ล้มเหลว - แต่พวกเขากลับล้มเหลว

ฉันเขียนถึงฟอรัมวิศวกรรมและได้รับการตอบกลับ มันเป็นจำนวนรายละเอียดและระดับของคำตอบที่กระทบใจฉันจริง ๆ ที่ฉันแค่ไม่พร้อมสำหรับระดับของหุ่นยนต์ที่ฉันมีอยู่ในใจ

มีโลกแห่งความแตกต่างระหว่างชุดหุ่นยนต์ขนาดเล็กที่มีมอเตอร์ราคาถูกสองตัว อาจเป็นตัวควบคุมมอเตอร์ 2/3 แอมป์ อาจเป็นเซ็นเซอร์สองสามตัว ที่คุณสามารถถือได้ด้วยมือเดียว และอีกตัวที่มีน้ำหนักไม่เกิน 20 ปอนด์และมี มอเตอร์ 20A ที่ทรงพลังมาก และเซ็นเซอร์มากกว่า 15 ตัว ที่สามารถสร้างความเสียหายได้จริงหากมีสิ่งผิดปกติเกิดขึ้น

ดังนั้นจึงถึงเวลาที่จะพิจารณาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ DC และ AC อีกครั้ง และฉันพบเว็บไซต์นี้:

DVD ติวเตอร์คณิต. ฉันพบว่าชื่อเรื่องค่อนข้างน่าเบื่อและล้าสมัย ฉันไม่ได้เห็นซีดีหรือดีวีดีมาหลายปีแล้ว ถูกต้อง?

แต่ฉันก็ดูออก และในที่สุดก็สมัครและตอนนี้ฉันสามารถสตรีมวิดีโอได้ทั้งวันหากต้องการ ทั้งหมดในราคา $20 USD ต่อเดือน จนถึงตอนนี้ฉันได้ครอบคลุมเล่มที่ 1 แล้ว

ลองนึกถึงการอยู่ในชั้นเรียนที่มีอาจารย์อยู่หน้าห้อง กระดานไวท์บอร์ด แนะนำวิชา อธิบายให้ละเอียด จากนั้นเป็นการฝึกฝน ฝึกฝน ฝึกฝน และนั่นคือสิ่งที่เป็นเว็บไซต์นี้

ในที่สุดเราต้องตีพีชคณิตเมทริกซ์เพราะวงจรมีสมการพร้อมกันมากเกินไปโดยมีจำนวนไม่ทราบจำนวนเท่ากัน แต่ไม่เป็นไร เขาศึกษาพีชคณิตมากพอที่จะผ่านพ้นปัญหาไปได้ หากนักเรียนต้องการเพิ่มก็มีหลักสูตรฟิสิกส์คณิตศาสตร์แยกต่างหากเช่นกัน เป็นโปรแกรมที่ดีมากจนถึงตอนนี้

ความหวังของฉันคือเมื่อผ่านหลักสูตรเหล่านี้ ฉันจะได้คำตอบสำหรับปัญหาที่ชิ้นส่วนของฉันทำงานล้มเหลว และพร้อมสำหรับวิทยาการหุ่นยนต์ในอนาคตในด้านอิเล็กทรอนิกส์

ขั้นตอนที่ 3: การฝึกอบรมและโครงการวิทยาการหุ่นยนต์

แต่นี่คือส่วนที่ดีที่สุด ขั้นตอนก่อนหน้านี้อาจดูแห้งไปหน่อยและไม่คุ้มค่า (แม้ว่าเมื่อคุณผ่านจุดหนึ่งไปแล้ว คุณจะสามารถเลือกชิ้นส่วนของคุณเอง ออกแบบวงจรของคุณเอง และสร้างอะไรก็ได้ที่คุณต้องการ สมมติว่าคุณต้องการสร้าง (เพื่อความสนุก) เครื่องส่งและเครื่องรับวิทยุ สมมติว่าคุณต้องการให้เป็นไปตามความถี่และโปรโตคอลที่คุณเลือกเอง คุณจะรู้วิธีออกแบบวงจรของคุณเอง)

มีอย่างอื่นที่ต้องทำในเวลาเดียวกัน: หลักสูตรวิทยาการหุ่นยนต์ หลักสูตรวิทยาการหุ่นยนต์ที่แท้จริง

(ถ้าคุณต้องการให้บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ทำสิ่งของคุณเองเท่านั้น (ฉันกำลังเขียนชุดคำสั่งที่อาจเป็นประโยชน์) บอร์ดพัฒนา MSP432 นั้นมีราคาไม่แพงนักที่ประมาณ 27 เหรียญสหรัฐ คุณสามารถตรวจสอบกับ Amazon, Digikey, Newark, Element14 หรือ Mouser.)

มันเกิดขึ้นที่เมื่อเร็ว ๆ นี้ Texas Instruments ได้จัดทำหลักสูตรที่ครอบคลุมดังกล่าว ชุดการเรียนรู้ระบบหุ่นยนต์ TI อย่าปล่อยให้ส่วน "ชุด" หลอกคุณ นี่เป็นมากกว่าแค่ "สร้างชุดหุ่นยนต์ขนาดเล็กอีกตัว" ลองดูที่ลิงค์นั้นอย่างจริงจัง

มีค่าใช้จ่ายฉัน $ 200 USD สำหรับชุดอุปกรณ์ที่สมบูรณ์ คุณยังสามารถดูวิดีโอที่แนบมาที่ฉันใส่สำหรับขั้นตอนนี้

ดูโมดูลการเรียนรู้ทั้งหมดเหล่านี้:

• เริ่มต้น
• โมดูล 1 - การรันโค้ดบน LaunchPad โดยใช้ CCS (ข้อสังเกตของฉันจาก Lab 1)
• โมดูล 2 - แรงดัน กระแส และกำลัง (เครื่องกำเนิดสัญญาณและความจุที่สอนได้อธิบายเพิ่มเติมจากแล็บ 2)
• โมดูล 3 - ARM Cortex M (นี่คือหมายเหตุ Lab 3 ที่สอนได้ - เปรียบเทียบแอสเซมบลีกับ "C")
• โมดูล 4 - การออกแบบซอฟต์แวร์โดยใช้ MSP432 (วิดีโอบันทึก Lab 4, วิดีโอ #2 ของ Lab 4)
• โมดูล 5 - การควบคุมแบตเตอรี่และแรงดันไฟฟ้า
• โมดูล 6 - GPIO (ดู Lab 6 Instructable Part 1, Part 2 และ Part 3 แต่เน้นที่การเขียนโปรแกรมการประกอบ)
• โมดูล 7 - เครื่องสถานะไฟไนต์ (Lab 7 Part 1)
• โมดูล 8 - การเชื่อมต่ออินพุตและเอาต์พุต
• โมดูล 9 - SysTick Timer
• โมดูล 10 - การดีบักระบบเรียลไทม์
• โมดูล 11 - จอแสดงผลคริสตัลเหลว
• โมดูล 12 - มอเตอร์กระแสตรง
• โมดูล 13 - ตัวจับเวลา
• โมดูล 14 - ระบบเรียลไทม์
• โมดูล 15 - ระบบการได้มาซึ่งข้อมูล
• โมดูล 16 - เครื่องวัดวามเร็ว
• โมดูล 17 - ระบบควบคุม
• โมดูล 18 - การสื่อสารแบบอนุกรม
• โมดูล 19 - บลูทูธพลังงานต่ำ
• โมดูล 20 - Wi-Fi
• การแข่งขันที่ท้าทาย

วิดีโอนี้จาก TI สามารถพูดในสิ่งที่ฉันต้องการแสดงออกได้ดีกว่าที่ฉันจะแสดงได้

ขั้นตอนที่ 4: ใช้หลักสูตรวิทยาการหุ่นยนต์เป็นจุดเริ่มต้น

แม้ว่าจะไม่ง่ายหรือไม่ง่ายอย่างที่ถูกกำหนด คุณสามารถขยายการบรรยาย แล็บ กิจกรรม ฯลฯ ที่หลักสูตรนำเสนอได้

ตัวอย่างเช่นฉันได้เชื่อมโยง Instructables อื่น ๆ เข้ากับสิ่งนี้ (ดูขั้นตอนก่อนหน้าซึ่งแสดงรายการโมดูลการเรียนรู้ทั้งหมด) ซึ่งฉันพยายามขยายโดยทำมากขึ้นด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (ตัวเก็บประจุ) หรือลองเขียนโค้ดในชุดประกอบ นอกจากเขียนในภาษาซี

ยิ่งคุณคุ้นเคยกับการเขียนโปรแกรมแอสเซมบลีมากเท่าไหร่ โปรแกรมเมอร์ภาษาระดับสูงก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ตัวเลือกที่ดีกว่าที่คุณจะทำในโครงการ

ขั้นตอนที่ 5: Arduino Vs MSP432 (อยู่ระหว่างดำเนินการ)

ตอนนั้นฉันไม่รู้จริงๆ อย่างแน่ชัด แต่ฉันรู้สึกประทับใจ… นี่คือข้อความที่ตัดตอนมาจากบทความที่สามารถอธิบายได้ดีกว่าที่ฉันจะทำได้:

ความแตกต่างระหว่าง Arduino และ MSP432401R: ตอนนี้ มาดูกันว่าทำไมเราถึงเลือก MSP432 เมื่อเทียบกับ Arduino ที่ได้รับความนิยมอย่างมาก Arduino อาจค่อนข้างง่ายในการเขียนโปรแกรมและสร้างต้นแบบเนื่องจาก API ที่มีอยู่ทั้งหมด แต่เมื่อพูดถึงการควบคุมฮาร์ดแวร์ที่ดีขึ้น MSP432 มีข้อได้เปรียบ ด้วยความช่วยเหลือของ CCS เราไม่เพียงสามารถเข้าถึงพื้นที่ที่อยู่ของ MSP432 เท่านั้น แต่ยังรวมถึงเราด้วย สามารถเปลี่ยนค่าของรีจิสเตอร์ต่างๆ ได้ ซึ่งจะส่งผลต่อการตั้งค่าต่างๆ อย่างเหมาะสม Arduino ไม่ได้เป็นเพียงไมโครคอนโทรลเลอร์เท่านั้น แต่เสมือนกับห่อหุ้มรอบๆ ไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino ก็เหมือนพายที่ปรุงสุกแล้ว ในขณะที่ MSP432 ก็เหมือนส้มดิบที่เราต้องปรุงเอง หวังว่านี่จะชี้แจงการใช้งานที่แตกต่างกันของทั้งสอง สำหรับระยะเริ่มต้น สามารถใช้ Arduino ได้ แต่เมื่อประสิทธิภาพกลายเป็นสิ่งสำคัญ TI MSP432 จะทำงานได้ดีขึ้นมากเนื่องจากการควบคุมฮาร์ดแวร์

ข้อความที่ตัดตอนมานั้นนำมาจากที่นี่

ขั้นตอนที่ 6: Raspberry Pi 3 B Vs MSP432 (อยู่ระหว่างดำเนินการ)

การเปรียบเทียบนั้นไม่ยุติธรรมนัก เนื่องจาก Pi เป็นไมโครคอมพิวเตอร์จริงๆ และ MSP เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์

อย่างไรก็ตาม กับ T. I. Robotics Kit แน่นอนมันถูกใช้เป็นสมองสำหรับหุ่นยนต์

เห็นได้ชัดว่า Pi มีหน่วยความจำมากขึ้น

Pi ซึ่งใช้งานหุ้น Raspbian ไม่ใช่ระบบปฏิบัติการแบบเรียลไทม์ ข้อเสียเปรียบนี้สามารถเกิดขึ้นได้หากคุณสนใจที่จะรับการวัดที่แม่นยำ (ระยะเวลา) จากเซ็นเซอร์

MSP บนบอร์ดพัฒนาประกอบด้วยไฟ LED อเนกประสงค์ 2 ดวง (อย่างน้อย 1 ดวงอาจเป็น RGB) และบอร์ดนี้ยังมีสวิตช์ปุ่มกดชั่วขณะสำหรับใช้งานทั่วไปอีก 2 ตัว