Robotyka w domu przy użyciu Raspberry Pi Pico Wojkowice

Dziedzina robotyki rozrasta się i mamy teraz idealny moment, aby nauczyć się, jak tworzyć w domu roboty o różnym przeznaczeniu. Książka ta pomoże w podjęciu pierwszych kroków do planowania, budowy i programowania robota za pomocą Raspberry Pi Pico, robiącym wrażenie kontrolerze o ogromnym potencjale wejścia/wyjścia (I/O). Po krótkim przeglądzie Pico zaczniemy projektować korpus robota za pomocą narzędzia CAD 3D. Mając do dyspozycji proste do śledzenia instrukcje, listę zakupów i plany, zaczniecie budowę robota. Następnie dodacie proste czujniki i wyjścia, aby rozszerzyć działanie robota, podbudować swoje umiejętności projektowania i zdobyć wiedzę o programowaniu w języku CircuitPython. Dowiecie się także o interakcji z elektroniką, standardowych algorytmów robotyki oraz dyscypliny i procedur budowy robotów. Przechodząc dalej dowiecie się, jak dodawać bardziej skomplikowane czujniki i zachowania robota, na coraz wyższych poziomach złożoności, uzyskując praktyczne doświadczenia. Poznacie wspaniałe cechy Raspberry Pi Pico, jak PIO, dodawanie takich możliwości, jak unikanie ścian, wykrywanie ruchu i zrozumienie nagłówków. Połączycie to z Bluetooth BLE, aby oglądać dane z czujników i zdalnie kontrolować robota za pomocą smartfonu. Wreszcie zaprogramujecie robota, aby znajdować jego położenie na arenie. Kończąc tę książkę będziecie mieli zbudowanego samodzielnie robota i będziecie dobrze przygotowani do budowy innych o różnym stopniu złożoności. Czego się nauczycie? Interfejsu Raspberry Pi Pico z motorem do poruszania częściami Projektowania w CAD 3D za pomocą Free CAD Budowy prostego robota i rozszerzania na coraz bardziej złożone projekty Interfejsu Raspberry Pi Pico z czujnikami Bluetooth BLE Wizualizacji danych z pracy robota za pomocą MatPliotlib Algorytmów robotyki pozwalających na inteligentne zachowanie Spis treści: Wprowadzenie Część 1: Podstawy Wprowadzenie do robotyki z Raspberry Pi Pico 1 Planowanie robota z użyciem Raspberry Pi Pico Wymagania techniczne Co to jest Raspberry Pi Pico i dlaczego nadaje się do robotyki? Mikrokontroler obsługujący język Python Interfejsy Raspberry Pi Pico dla czujników i urządzeń Co to jest CircuitPython? Planowanie robota z użyciem Raspberry Pi Pico Ogólny zarys planowania robota Uwaga na temat kompromisów Wybieranie podwozia robota Wybór systemów zasilania Wykorzystanie pinów Test dopasowania robota na Raspberry Pi Pico Tworzenie pierwszego elementu do testu dopasowania Silniki System zasilania Tworzenie przybliżonego podwozia Rozmieszczanie elementów do testu Zalecana lista zakupów dla podstaw robota Części robota i gdzie je znaleźć Pracownia dla robota i otwarte warsztaty Podsumowanie Ćwiczenia Materiały uzupełniające 2 Przygotowywanie Raspberry Pi Pico Wymagania techniczne Załadowanie CircuitPythona do Raspberry Pi Pico Przygotowanie biblioteki CircuitPython dla Pico Kodowanie dla Pico pierwsze kroki Pobieranie edytora Mu Włączanie diody LED Pico za pomocą CircuitPythona Miganie diodą za pomocą kodu Lutowanie listwy pinowej do Raspberry Pi Pico Podsumowanie Ćwiczenia Materiały uzupełniające 3 Projektowanie podwozia robota w programie FreeCAD Wymagania techniczne Wprowadzenie do programu FreeCAD Ekran FreeCADa Wybieranie środowiska pracy Ustawienia FreeCADa Wykonywanie szkiców podwozia robota w programie FreeCAD Przygotowanie dokumentu Szkicowanie zarysu podwozia Tworzenie głównego szkicu dla elementów znajdujących się powyżej Szkicowanie otworów dla silnika Planowanie lokalizacji kółka kulowego Modelowanie części podwozia na podstawie szkiców Modelowanie płyty podwozia Modelowanie pozostałych części Rozwiązywanie problemów z modelem Modelowanie trójwymiarowego mocowania dla kółka kulowego Wykonywanie rysunków technicznych w programie FreeCAD Konfiguracja strony Dodawanie części do rysunku Przygotowanie rysunku do druku Podsumowanie Ćwiczenia Materiały uzupełniające 4 Budowanie robota na bazie Pico Wymagania techniczne Wycinanie części ze styrenu Przenoszenie wymiarów z CAD na arkusz z tworzywa sztucznego Nacinanie plastikowego arkusza Wykańczanie i szlifowanie płyty podwozia Montaż podwozia robota Mocowanie kółka kulowego i koszyka na baterie Mocowanie silników i kół Podłączanie Raspberry Pi Pico w robocie Łączenie Pico i sterownika silnika z płytką stykową Dodawanie baterii Podłączenie silników i enkoderów Włączenie zasilania robota Podsumowanie Ćwiczenia Materiały uzupełniające 5 Sterowanie silnikami za pomocą Raspberry Pi Pico Wymagania techniczne Jazda w przód i w tył Testowanie poszczególnych silników za pomocą CircuitPythona Sterowanie kołami po linii prostej Sterowanie dwoma silnikami Wprowadzenie do sterowania prędkością za pomocą modulacji szerokości impulsów Jazda szybciej i wolniej Skręcanie w trakcie ruchu Jazda po zaplanowanej trasie Połączenie ruchów po linii prostej i skrętów Wady takiego sposobu jazdy Podsumowanie Ćwiczenia Materiały uzupełniające Część 2: Łączenie Raspberry Pi Pico z prostymi czujnikami i wyjściami 6 Pomiar ruchu za pomocą enkoderów na Raspberry Pi Pico Wymagania techniczne Enkodery i odometria Pomiary absolutne i względne Rodzaje enkoderów Dane w impulsach z enkodera Podłączanie enkoderów w robocie z Raspberry Pi Pico Badanie silników Sprawdzanie podłączenia Programowanie PIO w Raspberry Pi Pico Wprowadzenie do programowania PIO Wprowadzenie do PIOASM Wykrywanie wejścia za pomocą PIO Instrukcje i rejestry PIO Tworzenie licznika z PIO Pomiar impulsów enkodera odpowiadających ruchowi Tworzenie w PIO prostej pętli wykrywania zmian Tworzenie dwukierunkowego licznika z PIO Tworzenie kodu enkodera do wielokrotnego użytku Pomiar zliczeń dla ustalonego czasu Podsumowanie Ćwiczenia Materiały uzupełniające 7 Planowanie i zakup większej liczby komponentów Wymagania techniczne Wprowadzenie do czujników Typy czujników analogowych Impulsy o zmiennym czasie Czujniki korzystające z magistrali danych Schemat blokowy robota Wybór typów komponentów Czujniki odległości Inercyjna jednostka pomiarowa Moduły Bluetooth Podsumowanie użycia pinów dla modułów Planowanie, co i gdzie dodać Plan umiejscowienia Bluetooth i IMU Plan umiejscowienia czujników odległości Lista zakupów części i gdzie je znaleźć Przygotowywanie robota Projektowanie półki Wycinanie półki Projektowanie wsporników przednich czujników Wycinanie wsporników czujnika Przygotowanie płyty podwozia Składanie robota Podsumowanie Ćwiczenia Materiały uzupełniające 8 Mierzenie odległości w celu wykrywania obiektów za pomocą Pico Wymagania techniczne Na czym polega wykrywanie odległości Lutowanie listew pinowych i mocowanie ich do robota Lutowanie listew pinowych Montaż czujników Wprowadzenie do komunikacji I2C Komunikacja z pojedynczym czujnikiem odległości Podłączanie czujników odległości Teoria działania VL53LX Odczyt w CircuitPythonie z pojedynczego czujnika odległości Rozwiązywanie problemów Podłączanie dwóch czujników odległości Rozwiązywanie problemów Budowanie unikacza ścian z użyciem Raspberry Pi Pico Przygotowywanie biblioteki robota Zasada postępowania w omijaniu ścian Kod do unikania ścian z czujnikami odległości Rozwiązywanie problemów Podsumowanie Ćwiczenia Materiały uzupełniające 9 Zdalne sterowanie robotem Raspberry Pi Pico z użyciem Bluetooth LE Wymagania techniczne Możliwości bezprzewodowego połączenia z robotem Podłączenie Bluetooth LE do Raspberry Pi Pico Dodawanie modułu Bluetooth do robota Podłączanie płytki rozszerzeniowej Bluetooth do Raspberry Pi Pico Łączenie się z modułem Bluefruit LE za pośrednictwem UART Łączenie ze smartfonem Rozwiązywanie problemów z modułem Bluefruit Przesyłanie sygnału z czujnika Bluetooth LE do Raspberry Pi Pico Graficzne prezentowanie danych Sterowanie robotem za pomocą Bluetooth LE Wyświetlamy to, co dostaliśmy Tryb sterowania przyciskami Dekodowanie pakietów sterujących z przycisków w celu sterowania robotem Rozwiązywanie problemów Podsumowanie Ćwiczenia Materiały uzupełniające Część 3: Dodawanie kolejnych zachowań robotycznych do Raspberry Pi Pico 10 Użycie algorytmu PID do podążania wzdłuż ścian Wymagania techniczne Wprowadzenie do algorytmu PID Sterowanie i informacja zwrotna Sterowanie dwustawne Mierzenie odległości z regulacją proporcjonalną Rozwiązywanie problemów Użycie całki do postępowania z małymi odległościami Postępowanie z oscylacjami za pomocą pochodnej Użycie PID do podążania wzdłuż ścian Zmiana umiejscowienia czujnika Kod do podążania wzdłuż ścian Rozwiązywanie problemów Dostrajanie PID wykorzystanie wykresów do dostrajania PID Sterowanie prędkością silnika Komponent związany ze wzmocnieniem Regulacja współczynnika różniczkowania Regulacja współczynnika całkowania Końcowe uwagi dotyczące dostrajania Podsumowanie Ćwiczenia Materiały uzupełniające 11 Sterowanie ruchem z użyciem enkoderów przez Raspberry Pi Pico Wymagania techniczne Konwersja zliczeń enkoderów na prędkość Luźne śrubki i nakrętki Geometria koła robota Geometria enkodera Pomiar prędkości poszczególnych kół Naprawienie zakłóceń enkodera Użycie PID do utrzymywania prędkości i linii prostej System sterowania prędkością Kod sterujący prędkością Strojenie regulatora prędkości PID Pokonywanie podanej odległości Zasada działania Kod do sterowania odległością i prędkością Podsumowanie Ćwiczenia Materiały uzupełniające 12 Wykrywanie orientacji za pomocą IMU i Raspberry Pi Pico Wymagania techniczne Co to jest IMU i jak go wybrać Komponenty IMU Wybór modułu IMU Podłączenie IMU do robota Przygotowanie BNO055 Mocowanie BNO055 Łączenie BNO055 z Raspberry Pi Pico Konfiguracja oprogramowania i łączenie się Rozwiązywanie problemów Kalibracja i uzyskiwanie odczytów Kod do kalibracji Proces kalibracji Zachowanie zawsze kieruj się ku północy Kod w CircuitPythonie dla zachowania zawsze kieruj się ku północy Rozwiązywanie problemów Zachowanie powodujące wykonanie określonego skrętu Podsumowanie Ćwiczenia Materiały uzupełniające 13 Określanie położenia za pomocą metody Monte Carlo Wymagania techniczne Tworzenie obszaru treningowego dla naszego robota Co zrobimy Jak wykonamy arenę Wskazówki dotyczące cięcia Modelowanie przestrzeni Reprezentowanie areny i pozycji robota w postaci liczb Obsługa areny z poziomu robota Biblioteka Bleak Tworzenie biblioteki opakowującej Bluetooth LE Wyświetlanie danych z robota na ekranie komputera Używanie czujników do śledzenia pozy względnej Ustawianie pozy Wyświetlanie póz Poruszanie się z unikaniem kolizji Poruszanie pozami z użyciem enkoderów Prawdopodobieństwa ruchu póz Lokalizowanie za pomocą Monte Carlo Generowanie wagi póz na podstawie pozycji Repróbkowanie póz Inkorporacja czujników odległości Tuning i udoskonalanie modelu Monte Carlo Podsumowanie Ćwiczenia Materiały uzupełniające 14 Kontynuujemy podróż kolejny robot Wymagania techniczne Podsumowanie tego, czego nauczyliśmy się z tej książki Podstawy robotyki z Raspberry Pi Pico Rozszerzanie robota Raspberry PI Pico za pomocą czujników Napisanie kodu zachowań Raspberry PI Pico w języku Circuit Python Planowanie rozszerzeń naszego robota Czujniki do dodania Interakcja z robotem Podwozie i rozszerzenia postaci Rozszerzenia elektroniki Jakie wyjścia można dodać Rozszerzanie kodu i zachowań Planowanie kolejnego robota Postać, kształt i podwozie Elektronika i czujniki Kod i zachowanie Sugestia dalszych obszarów nauki Elektronika Projekt i wytwarzanie Zawody robotów i społeczności w dziedzinie robotyki Systemy i kod w robotyce Podsumowanie Ćwiczenia Materiały uzupełniające Spis treści Polecamy także O autorze: Danny Staple jest inżynierem programowania. Zawodowo programuje w Pythonie, zajmuje się też metodyką DevOps i automatyzacją. Zdobył duże doświadczenie w pracy z systemami wbudowanymi. Hobbystycznie buduje roboty i różne gadżety, jest też mentorem CoderDojo Ham, a jakiś czas temu prowadził kluby LEGO Robotics.