Rpibot: Дешёвая расширяемая мобильная платформа для изучения встроенных систем

О проекте

Эта простая, низкобюджетная мобильная робототехническая платформа создана, чтобы дать разработчикам практичный способ изучения встроенных систем.

Как инженер встроенного ПО в немецкой автокомпании, я начал проект как учебную платформу. Хотя оригинальный проект был закрыт рано, энтузиазм продвинул его как хобби, результат — Rpibot.

Были чёткие требования:

• Минималистичное, софто-центричное железо
• Бюджет €100 «всё в одном»
• Встроенная расширяемость для будущих модулей
• Единый 5 В источник (например, USB пауэрбанк) для всех компонентов

Платформа служит для образования, наблюдения и робототехнических соревнований, но не является туториалом для новичков. Ожидаются базовые знания Python, электроники и ПИД-управления.

Вызовы неизбежны, но любопытство и настойчивость помогают преодолеть их. Исходный код намеренно лаконичен, критические участки прокомментированы для руководства.

Полный исходный код и схемы железа на GitHub: https://github.com/makerobotics/RPIbot

Комплектующие:

Механика

• 1 × фанерный лист А4, 4 мм толщиной
• 3 × винты М4 × 80 и гайки
• 2 × редукторные моторы с второстепенным валом для энкодеров (колёса)
• 1 × свободное колесо
• 1 × панорама-наклон камерная платформа (опционально)

Электроника

• 1 × Raspberry Pi Zero (с хедером и камерой)
• 1 × PCA 9685 серво-контроллер
• 2 × оптические энкодерные колёса и схемы
• 1 × женские джамперные провода
• 1 × USB пауэрбанк
• 1 × DRV8833 двойной мотор-драйвер
• 2 × SG90 микросервопривода для панорамы/наклона камеры (опционально)
• 1 × MPU9250 IMU (опционально)
• 1 × HC-SR04 ультразвуковой датчик (опционально)
• 1 × макетная плата, припой, провода, хедера и т.д.

Шаг 1: Сборка шасси

Шасси намеренно простое, лёгкое, быстрое в сборке и разборке.

• Доступные материалы
• Быстрая сборка
• Место для будущих сенсоров
• Лёгкость для снижения потребления

Фанера идеальна — легко резать лобзиком и сверлить. Клейкими маленькими деревянными брусками создайте точки крепления для сенсоров и моторов. Критические части крепите винтами, чтобы их можно было заменить или отлаживать без полной разборки. Клей-пистолет удобен, но может не выдержать длительной эксплуатации. 3D-печать — альтернатива, но дороже и дольше.

Свободное колесо лёгкое и без трения, обеспечивает плавное движение. Простой деревянный распор выравнивает заднее колесо после установки основных колёс.

Параметры колёс (для софтовых расчётов)

Длина окружности: 21,5 см
Импульсов энкодера: 20 имп/об.
Разрешение: ≈1 см на импульс (упрощает расчёты расстояния)

Шаг 2: Электроника и проводка

Модули взаимосвязаны как на диаграмме.

Raspberry Pi Zero — центральный контроллер. Считывает сенсоры и драйвит моторы через ШИМ. Соединяется с удалённым ПК по Wi-Fi.

DRV8833 — двухканальный H-мост, выдающий достаточный ток моторам (GPIO Pi не может).

Оптические энкодеры — выдают прямоугольный импульс при каждом прерывании светового пути колеса. Аппаратные прерывания на Pi ловят каждый переход.

PCA 9685 — I²C серво-контроллер, выдающий ШИМ и 5 В для панорама/наклон серв.

MPU9250 — 3-осевой акселерометр, гироскоп, магнитометр, 주로 для информации о курсе.

Все компоненты соединены джамперами. Макетная плата служит распределительным хабом, дающим шины 5 В, 3,3 В и землю. Таблица соединений (см. вложение) детализирует каждую связь. Никогда не подавайте 5 В напрямую на 3,3 В пин; дважды проверяйте проводку перед включением. Измерьте основные напряжения мультиметром после сборки макетки.

Модули закреплены на шасси нейлоновыми винтами — стабильно и съёмно для обслуживания.

Пайка ограничивалась контактами моторов, макетной платы и хедерами. Джамперы удобны, но могут ослабевать; софтовая диагностика помогает выявить прерывистые контакты.

Источник: Rpibot – About Learning Robotics