Робот с управлением андроид

РОБОТ на базе: android, arduino, bluetooth. Рефлексный. Часть 2

Оглавление

Статья 1. РОБОТ на базе: android, arduino, bluetooth. Начало
Статья 2. РОБОТ на базе: android, arduino, bluetooth. Рефлексный. Часть 2.

Предполагается, что человек читающий статью уже имеет представление о:
-Базовых понятиях электроники
-Предыдущей статье

Постановка задачи

Создать робота который выполняет следующий функционал:
-Имеет удаленное управление при помощи смартфона (передвижение вперед, назад, налево, направо)
-Передает на смартфон данные о расстоянии до объекта находящегося перед ним(на базе ультра звукового датчика)
-Имеет режим автономного управления: непрерывно перемещается по помещению, при встрече препятствий меняет направление своего движения, тем самым объезжая препятствие.

Немного теории

Наш мир является сложнейшей системой, в которой взаимодействуют между собой огромное количество объектов, подчиненных определенным законам физики, поэтому создание робота функционирующего в рамках этой системы, является очень трудоемкой задачей. Для упрощения процесса создания первого робота воспользуемся понятием абстрагирования среды(в которую помещен робот) и действий робота. В дальнейших статьях будем усложнять среду и соответственно действия робота.

Абстрагирование среды

Среда где будет обитать наш первый робот будет представлять собой двухмерный мир и обладать следующими характеристиками:
1) Полностью наблюдаемая, т.е. датчики робота предоставляют доступ к полной информации о состоянии среды в каждый момент времени. Полностью наблюдаемые варианты среды являются удобными, поскольку роботу не требуется поддерживать какое-либо внутреннее состояние для того, чтобы быть в курсе всего происходящего в этом мире.
2) Детерминированная. Если следующее состояние среды полностью определяется текущим состоянием и действием, выполненным роботом, то такая среда называется детерминированной; в противном случае она является стохастической.
3) Эпизодическая. В эпизодической проблемной среде опыт робота состоит из неразрывных эпизодов. Каждый эпизод включает в себя восприятие среды роботом, а затем выполнение одного действия. При этом крайне важно то, что следующий эпизод не зависит от действий, предпринятых в предыдущих эпизодах. В эпизодических вариантах среды выбор действия в каждом эпизоде зависит только от самого эпизода.
4) Статическая. Если среда может измениться в ходе того, как робот выбирает очередное действие, то такая среда называется динамической для данного робота; в противном случае она является статической.
5) Непрерывная — Различие между дискретными и непрерывными вариантами среды может относиться к состоянию среды, способу учета времени, а также восприятием и действиям агента. В нашем случае считается что состояние среды меняется непрерывно. К примеру игра в шахматы является дискретной, так как имеет конечное количество различных состояний.
6) Одноагентная это среда в которой находится один объект(робот), и другие объекты на него не влияют и не конкурируют с ним.

Абстрагирование действий робота

1) Движение – робот может передвигаться в двух направлениях(взад, вперед) и разворачиваться на месте(налево, направо)
2) Датчики робота (ультразвуковой сенсор), позволяет определить расстояние до объекта. Расстояние может быть определено от 0,02 метра до 4 метров.

Таким образом, определим, что создаваемый в этой статье робот является простым рефлексным роботом. Подобные роботы выбирают действия на основе текущего акта восприятия, игнорируя всю остальную историю актов восприятия.

Краткая информация по используемым деталям и модулям

Драйвер двигателей HG7881. Для управления двигателями робота необходимо устройство, которое бы преобразовывало управляющие сигналы малой мощности в токи, достаточные для управления моторами. Такое устройство называют драйвером двигателей.

HG7881 – это двухканальный драйвер двигателей, питание возможно от источника 2,5 – 12 В. Описание выходов драйвера:
Таблица 1

Вывод	Описание
B-IA	Двигатель B Вход A (IA)
B-IB	Двигатель B Вход B (IB)
GND	Земля (Минус)
VCC	Рабочее напряжение 2.5-12V (Плюс)
A-IA	Двигатель A Вход A (IA)
A-IB	Двигатель A Вход B (IB)

Для того чтобы заставить двигатели работать нужным нам образом на выводы (B-IA, B-IB, A-IA, A-IB) необходимо подавать логические сигналы (HIGH,LOW). Таблица истинности двигателей:
Таблица 2

IA	IB	Состояние двигателя
L	L	Off
H	L	Forward
L	H	Reverse
H	H	Off

Ультразвуковой сенсор измерения расстояния HC-SR04. Определяет расстояние до объекта, измеряя время отражения звуковой волны от объекта.

Сенсор излучает короткий ультразвуковой импульс (в момент времени 0), который отражается от объекта и принимается сенсором. Расстояние рассчитывается исходя из времени до получения эха и скорости звука в воздухе.
На вывод (Trig) подаётся импульс длительностью 10 мкс, ультразвуковой модуль излучает 8 пачек ультразвукового сигнала с частотой 40кГц и обнаруживает их эхо. Измеренное расстояние до объекта пропорционально ширине эха (Echo) и может быть рассчитано по формуле:
Ширина импульса/58 = расстояние в см.

Сборка робота и подключение всех модулей

Собираем платформу (рис.2).

Рисунок 2
Подключаем двигатели к драйверу (рис. 3). По два двигателя на один разъем драйвера, т.е. двигатели левой стороны платформы к разъему “Motor B”, двигатели правой стороны — “Motor A”. Управление платформой будет произведено аналогично гусеничной. При движении вперед и назад все двигатели работают синхронно в одном направлении, при повороте направо двигатели правой стороны платформы останавливаются, а левой двигаются синхронно, при повороте налево двигатели левой стороны останавливаются, а правой двигаются синхронно.

Рисунок 3
Прикручиваем верхнюю часть платформы. Соединяем драйвер двигателей, ардуино, аккумуляторы, БТ модуль и ультразвуковой сенсор к макетной плате (рис.4)

Рисунок 4
Схема подключения представлена на (рис.5). Питание ардуино, ультразвукового сенсора и драйвера двигателей (следовательно и самих двигателей) обеспечивают 4 подключенных последовательно аккумулятора (1,2 В., 2700 мА/ч), на БТ модуль питание подается от выхода ардуино 3,3 В.

Рисунок 5
Робот собран, необходимо его заставить выполнять команды, отправленные с андроида.

Скетч для Arduino ШАГ 1 – Удаленное управление роботом

Объявляем переменные: R_A_IA, R_A_IB – определяют номера выводов управляющих двигателем А (двигатели правой стороны), L_B_IA, L_B_IB — выводы управляющие двигателем B(двигатели левой стороны. Инициируем последовательное соединение и задаем скорость передачи данных в бит/c (бод) – 38400. Устанавливаем режим работы выводов управляющих двигателями – OUTPUT (выходы). Подаем на все выходы значение HIGH, что означает — двигатели отключены(таблица 2).
Определяем функции: go_forward(), go_back(), go_right(), go_left(), stop_robot(), которые запускают двигатели в прямом или обратном направлении вращения, тем самым приводя робота в движение – вперед, назад, направо, налево, стоп, соответственно.
В основном цикле программы происходит считывание и обработка данных полученных в последовательный порт от БТ модуля. В зависимости от полученной команды выполняется та или иная функция и по последовательному порту передается текст об ее выполнении.

Android приложение ШАГ 1 – Удаленное управление роботом

Вот так будет выглядеть основное activity:

Текстовое поле «txtrobot», будет отображать всю необходимую нам информацию. Кнопки b0, b1, b2, b3, b4 будут отправлять команды в arduino (0, 1, 2, 3, 4)
Переходим в src/../MainActivity.java здесь и будет располагаться наш основной код.
В предыдущей статье на шаге 4, был представлен код позволяющий передавать и принимать данные по БТ. За основу возьмем этот код.
В состояния активити onPause() и onResume() добавим условие проверки существования БТ у андроида и определения включен ли он. В предыдущей статье это условие отсутствовало в связи, с чем при запуске приложения, если был отключен БТ, оно завершалось с ошибкой и только после этого предлагало включить БТ.

Объявим переменные для хранения кнопок:

Находим их по ID:

Напишем обработчики нажатия этих кнопок, для отправки команд:

Полный код приложения:

Данное приложение, позволяет управлять роботом при помощи андроида, отправляя команды по БТ на ардуино, и принимая текстовые ответы от него. Первая часть поставленной задачи выполнена.

Скетч для Arduino ШАГ 2 – Режим автономного управления роботом

Для работы с ультразвуковым сенсором, воспользуемся готовой библиотекой
ultrasonic-HC-SR04.zip
Распаковываем файлы и помещаем в каталог где расположен скетч
Подключаем библиотеку

Конструктор Ultrasonic принимает два параметра — номера выводов к которым подключены Trig и Echo, соответственно:

Получаем данные о расстоянии до объекта в сантиметрах:

Передаем данные на последовательный порт, для последующей передачи их через БТ модуль.

Символы «*» и «#» означают начало и конец передаваемого блока информации о расстоянии до объекта. Это необходимо для того чтобы четко отделять необходимые данные друг от друга, так как при их передачи часть теряется либо приходит с запозданием.
Полный скетч для загрузки в ардуино:

Android приложение ШАГ 2 – Режим автономного управления роботом

Таким образом, основное activity примет вид:

Объявим переменную b5:

И флаг позволяющий определить включен режим автоуправления или нет:

Находим ее по ID:

Создадим обработчик ее нажатия:

А также внесем изменения в обработчик кнопки «b0»(Стоп)

Осталось создать алгоритм позволяющий роботу самостоятельно перемещаться по помещению и объезжать препятствия.
Обработаем полученные данные о расстоянии до объекта отправленные ардуино. Если расстояние до объекта менее 50 см. то поворачиваем направо в противном случае едим прямо:

Ниже приведен полный код Activity:

Созданное приложение для андроида в связке с представленным скетчем ардуино, позволяет, как удаленно самостоятельно управлять роботом, так и включать режим автономного управление, при котором робот передвигается в прямом направлении и если требуется, объезжает препятствия.
Результатом проделанной работы является простейший рефлексный робот. Дальнейшее применение более сложных алгоритмов на базе приведенных шаблонных приложений и скетчей позволит создавать роботов основанных на модели, на цели, на полезности, обучающихся роботов и др.
К следующей статье я сделал заказ всего одного модуля:

Наименование	Ссылка	Цена y.e	Цена руб	Кол-во	Сумма
Wifi модуль	dx.com/p/hi-link-hlk-rm04-serial-port-ethernet-wi-fi-adapter-module-blue-black-214540#.UutHKD1_sd0	14,99	524,65	1	524,65

ИТОГ: 524,65

В комментариях к предыдущей статье, хабра пользователь commanderxo порекомендовал не изобретать велосипед, а воспользоваться стандартным протоколом Firmata (протокол для обмена данными между ардуино и сервером). К сожалению работоспособной библиотеки, для андроида в связке с БТ, я не нашел. Написать свою библиотеку у меня не хватает времени и сил, поэтому в данной статье я продолжаю изобретать велосипед. Если кто из Хабра пользователей обладает информацией о такой библиотеке просьба поделиться.

Источник