Progetto Armuino

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Categoria: Docs

Pubblicato Martedì, 25 Settembre 2012 20:57

Scritto da Armuino

Visite: 16233

ISTITUTO PROFESSIONALE STATALE

PER L’INDUSTRIA E L’ARTIGIANATO
 “A. Castigliano”
ASTI (AT)

   
TESI SPERIMENTALE PER L'ESAME DI STATO:
 “Armuino”



Braccio meccanico robotizzato controllato tramite joystick

o con programmi preimpostati.

Sviluppato con il sistema di sviluppo ARDUINO UNO.

Svolta dal candidato:
    Tagliabue Luca
    Classe: 5° F
    Indirizzo: Elettronica e Telecomunicazioni
    Anno scolastico: 2011/2012
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 Indice

1.   Cos’è “ARMUINO”
    1.1    I gradi di libertà 
    1.2    Progetto  
    1.3    Schema a blocchi del funzionamento di ARMUINO 
    1.4    Realizzare ARMUINO
        1.4.1     Collegamenti elettrici 
        1.4.2     Schema elettrico 
        1.4.3     Come usare ARMUINO 
        1.4.4     Legenda tasti

2.       Microcontrollore  
    2.1  struttura del microcontrollore 
    2.2  Schema a blocchi Arduino 
    2.3  Schema elettrico 
    2.4  Team di Arduino 
    2.5  Versioni 
    2.6  La programmazione del microcontroller 
    2.7  Pin di Arduino 
    2.8  Pin mapping ATmega 328 
    2.9  Funzionalità di input/output 
    2.10 Connettori I/O 
    2.11 I/O analogico  
    2.12 Alimentazione elettrica 
    2.13 La programmazione del microcontrollore 
    2.14 Open hardware e open source 
    2.15 Accessori hardware 
        2.15.1  La shield joystick 
            2.15.1.1  Come usare la shield 
            2.15.1.2  Come trovare la posizione corrente del joystick? 
            2.15.1.3  Come trovare la direzione corrente del joystick? 
            2.15.1.4  Come impostare Arduino in modo da sapere quando un pulsante è stato premuto 
            2.15.1.5  Come sapere quando è stato premuto un pulsante sullo scudo Joystick? 
        2.15.2  La shield “PROTO” 
    2.16  Librerie 
        2.16.1  libreria servo.h 
            2.16.1.1   istruzioni 

    3        Linguaggio di programmazione

    4          I servomotori 
        4.1   Schema a Blocchi di un tipico Servo 
        4.2   Collegamento Elettrico di un Servo 
        4.3   Relazione Esistente tra Larghezza degli Impulsi e Rotazione

    5        Modulazoni PiWM  
        5.1 Cos’è il PWM  
        5.2 Quindi i servo con che segnale vengono comandati?  

    6        Sketch ARMUINO 1.0
        6.1 Flow chart programma “ARMUINO 1.0” 

    7        Collaudo 

    8       Costo stimato Realizzazione HW  

    9        Conclusioni ed eventuali modifiche  apportabili  

    10      Bibliografia

 

Cos’è “ARMUINO”

“ARMUINO” è un braccio robot basato su Arduino UNO. 

La realizzazione di un braccio robot, anche di piccole dimensioni, come “Armuino” prevede la conoscenza di più materie: elettronica, programmazione, meccanica, robotica e fisica. Vorrei concentrarmi sulla parte di elettronica e programmazione, con qualche cenno sulla parte meccanica.

 Il braccio è costruito partendo da zero, e l’unico componente meccanico già costruito che ho comprato è la pinza (mano). Il telaio del braccio è in alluminio, legno e plexiglass per la realizzazione della scatola. Il movimento viene effettuato grazie a dei servomotori controllati con Arduino UNO. I servo sono collegati a dei piedini (pin) di Arduino tramite proto shield appositamente realizzata. Viene alimentato da un alimentatore ATX da PC 500W in modo da avere prima di tutto l’efficienza dello switching e secondo diverse alimentazioni come per esempio +-12V, +-5V, 3.3V e un costo relativamente basso rispetto ad altri alimentatori in grado di fornire una corrente di picco di 30A a 5V; infine sia tensione che corrente sono molto costanti e per dei servomotori questa alimentazione è perfetta. 
Può sembrare strano ma quando si usano 7 servomotori le correnti sono piuttosto alte; ogni servo ha un assorbimento che varia in base alla coppia resistente e quindi dal peso che deve muovere, ma in media assorbono circa 2A l’uno. Bisogna tenere conto del fatto che tutti i servo sono sempre in funzione anche se non in movimento, questo perché il servo deve rimanere “attivo”  in modo da tenere la posizione dell’albero interno e contrastare la forza del peso. Con i 5V possiamo alimentare il sistema di sviluppo. Il braccio appoggia su una scatola di legno verniciato e la parte superiore in plexiglass consente di vedere all’interno. Nella parte anteriore c’è il sistema di sviluppo, il cuore del braccio, ed è visibile anche grazie a degli strip di led bianchi posti all’interno della scatola in modo da illuminare sia ARDUINO, sia il servo che permette il movimento rotatorio. Nella parte posteriore invece è collocato l’alimentatore ATX.   Armuino si può comandare tramite una shield joystick oppure scrivendo un programma specifico e automatico tramite l’ IDE Arduino nel linguaggio wiring.

                                                                     

 

 

 

 Questa si basa su un circuito stampato che integra un microcontrollore con PIN connessi alle porteI/O, un regolatore di tensione e quando necessario un'interfaccia USB che permette la comunicazione con il computer. A questo hardware viene affiancato un ambiente di sviluppo integrato (IDE)multipiattaforma (Linux, Apple Macintosh e Windows). Questo software permette anche ai novizi di scrivere programmi con un linguaggio semplice e intuitivo derivato da C e C++ chiamato Wiring, liberamente scaricabile e modificabile.

 La piattaforma hardware Arduino è spesso distribuita agli hobbisti in versione pre-assemblata, acquistabile in internet o in negozi specializzati. La particolarità del progetto è che le informazioni sull'hardware e soprattutto i progetti sono disponibili per chiunque: si tratta quindi di un hardware open source, distribuito nei termini della licenza Creative Commons Attribution-ShareAlike 2.5. In questo modo, chi lo desideri può legalmente auto-costruirsi un clone di Arduino o derivarne una versione modificata, scaricando gratuitamente lo schema elettrico e l'elenco dei componenti elettronici necessari. Questa possibilità ha consentito lo sviluppo di prodotti Arduino compatibili da parte di piccole e medie aziende in tutto il mondo, e infatti oggi è possibile scegliere tra un'enorme quantità di schede Arduino compatibili. Ciò che accomuna questi prodotti inerenti elettronica sperimentale e sviluppo è il codice sorgente per l'ambiente di sviluppo integrato e la libreria residente che sono resi disponibili, e concessi in uso, secondo i termini legali di una licenza libera, GPLv2. Grazie alla base software comune, ideata dai creatori del progetto, per la comunità Arduino è stato possibile sviluppare programmi per connettere a questo hardware più o meno qualsiasi oggetto elettronico, computer, sensore, display o attuatore. Dopo anni di sperimentazione è oggi possibile fruire di un database di informazioni vastissimo.

1. Arduino Mini, una versione in miniatura facente uso di un ATmega168 a montaggio superficiale
2. Arduino Nano, una versione ancora più piccola della Mini, utilizzante lo stesso controller ATmega168 SMDe alimentata tramite USB
3. LilyPad Arduino, un progetto minimalista (scheda circolare dal diametro di 50mm, per circa 8mm di spessore), per applicazione su indumenti, con lo stesso ATmega168 in versione SMD
4. Arduino BT, con interfaccia di programmazione Bluetooth e con un ATmega168
5. Arduino Diecimila, con interfaccia di programmazione USB e con un ATmega168 in un package DIL28
6. Arduino Duemilanove, facente uso del chip Atmega168 (o Atmega328 nelle versioni più recenti) e alimentata in corrente continua tramite USB, con commutazione automatica tra le sorgenti di alimentazione
7. Arduino Mega, che fa uso di un ATmega1280 a montaggio superficiale per I/O e memoria addizionale.
8. Arduino Uno, evoluzione della Duemilanove, con un differente chip, programmabile e più economico, dedicato alla conversione USB-seriale.
9. Arduino Mega2560, che fa uso di un ATmega2560 ed è un'evoluzione dell'Arduino Mega.

 La programmazione può avvenire tramite il protocollo ISP e un'altra scheda Arduino utilizzata come programmatore, tramite la usb (in alcuni casi il microcontrollore contiene usb hardware) oppure grazie a un programmatore esterno dedicato.

 

·        setup() : funzione invocata una sola volta all'inizio di un programma che può essere utilizzata per i settaggi iniziali;

·        loop() : funzione invocata ripetutamente, la cui esecuzione si interrompe solo con lo spegnimento della scheda.

#define LED_PIN 13

void setup () {

 pinMode (LED_PIN, OUTPUT);       // abilita il pin 13 per l'output digitale 

}

void loop () {

 digitalWrite (LED_PIN, HIGH);   // accende il LED

 delay (1000);                   // aspetta 1 secondo (1000 millisecondi)

 digitalWrite (LED_PIN, LOW);   // spegne il LED

 delay (1000);                   // aspetta un secondo

}

#include "WProgram.h"

#define LED_PIN 13

void setup () {

 pinMode (LED_PIN, OUTPUT);    // abilita il pin 13 per l'output digitale

}

void loop () {

 digitalWrite (LED_PIN, HIGH); // accende il LED

 delay (1000);                 // aspetta 1 secondo (1000 millisecondi)

 digitalWrite (LED_PIN, LOW); // spegne il LED

 delay (1000);                 // aspetta 1 secondo

}

int main(void)

{

 init();

  setup();

  for (;;)

    loop();

  return 0;

}

 

Serial.println(analogRead(0)); // Prints current X position

Serial.println(analogRead(1)); // Prints current Y position

const byte PIN_ANALOG_X = 0;

const byte PIN_ANALOG_Y = 1;

void setup() {

 Serial.begin(9600);

}

void loop() {

 Serial.print("x:");

 Serial.print(analogRead(PIN_ANALOG_X));

 Serial.print(" ");

  Serial.print("y:");

 Serial.print(analogRead(PIN_ANALOG_Y));

 Serial.print(" "); 

  Serial.println();

}
 

|----------|----|----------|

0         505 515        1023

const int X_THRESHOLD_LOW = 505;

const int X_THRESHOLD_HIGH = 515;    

const int Y_THRESHOLD_LOW = 500;

const int Y_THRESHOLD_HIGH = 510;

x_direction = 0;

 y_direction = 0;

  x_position = analogRead(PIN_ANALOG_X);

 y_position = analogRead(PIN_ANALOG_Y);

  if (x_position > X_THRESHOLD_HIGH) {

    x_direction = 1;

 } else if (x_position < X_THRESHOLD_LOW) {

    x_direction = -1;

 }

 if (y_position > Y_THRESHOLD_HIGH) {

    y_direction = 1;

 } else if (y_position < Y_THRESHOLD_LOW) {

   y_direction = -1;

 }

const byte PIN_ANALOG_X = 0;

const byte PIN_ANALOG_Y = 1;

const int X_THRESHOLD_LOW = 505;

const int X_THRESHOLD_HIGH = 515;    

const int Y_THRESHOLD_LOW = 500;

const int Y_THRESHOLD_HIGH = 510;    

int x_position;

int y_position;

int x_direction;

int y_direction;

void setup() {

 Serial.begin(9600);

}

void loop () {

 x_direction = 0;

 y_direction = 0;

  x_position = analogRead(PIN_ANALOG_X);

 y_position = analogRead(PIN_ANALOG_Y);

  if (x_position > X_THRESHOLD_HIGH) {

    x_direction = 1;

 } else if (x_position < X_THRESHOLD_LOW) {

   x_direction = -1;

 }

 if (y_position > Y_THRESHOLD_HIGH) {

    y_direction = 1;

 } else if (y_position < Y_THRESHOLD_LOW) {

    y_direction = -1;

 }

  if (x_direction == -1) {

      if (y_direction == -1) {

        Serial.println("left-down");

      } else if (y_direction == 0) {

        Serial.println("left");

      } else {

        // y_direction == 1

        Serial.println("left-up");      

      } 

  } else if (x_direction == 0) {

      if (y_direction == -1) {

        Serial.println("down");

      } else if (y_direction == 0) {

        Serial.println("centered");

      } else {

        // y_direction == 1

        Serial.println("up");      

      }

 } else {

      // x_direction == 1

      if (y_direction == -1) {

        Serial.println("right-down");

      } else if (y_direction == 0) {

        Serial.println("right");

      } else {

        // y_direction == 1

        Serial.println("right-up");      

      }

 }

// Select button is triggered when joystick is pressed

const byte PIN_BUTTON_SELECT = 2;

const byte PIN_BUTTON_RIGHT = 3;

const byte PIN_BUTTON_UP = 4;

const byte PIN_BUTTON_DOWN = 5;

const byte PIN_BUTTON_LEFT = 6;

pinMode(PIN_BUTTON_RIGHT, INPUT);

digitalWrite(PIN_BUTTON_RIGHT, HIGH);

Come sapere quando è stato premuto un pulsante sullo scudo Joystick?

if (digitalRead(PIN_BUTTON_LEFT) == LOW) {

    // Button is pressed

} else {

   // Button is not pressed

}

// Store the Arduino pin associated with each input

// Select button is triggered when joystick is pressed

const byte PIN_BUTTON_SELECT = 2; 

const byte PIN_BUTTON_RIGHT = 3;

const byte PIN_BUTTON_UP = 4;

const byte PIN_BUTTON_DOWN = 5;

const byte PIN_BUTTON_LEFT = 6;

const byte PIN_ANALOG_X = 0;

const byte PIN_ANALOG_Y = 1;

void setup() {

 Serial.begin(9600);

 pinMode(PIN_BUTTON_RIGHT, INPUT); 

  digitalWrite(PIN_BUTTON_RIGHT, HIGH);

  pinMode(PIN_BUTTON_LEFT, INPUT); 

  digitalWrite(PIN_BUTTON_LEFT, HIGH);

  pinMode(PIN_BUTTON_UP, INPUT); 

  digitalWrite(PIN_BUTTON_UP, HIGH);

  pinMode(PIN_BUTTON_DOWN, INPUT); 

  digitalWrite(PIN_BUTTON_DOWN, HIGH);

  pinMode(PIN_BUTTON_SELECT, INPUT); 

  digitalWrite(PIN_BUTTON_SELECT, HIGH); 

}

void loop() {

 Serial.print("l:");

 Serial.print(digitalRead(PIN_BUTTON_LEFT));

 Serial.print(" ");

  Serial.print("r:");

 Serial.print(digitalRead(PIN_BUTTON_RIGHT));

 Serial.print(" ");

  Serial.print("u:");

 Serial.print(digitalRead(PIN_BUTTON_UP));

 Serial.print(" ");

  Serial.print("d:");

 Serial.print(digitalRead(PIN_BUTTON_DOWN));

 Serial.print(" ");

 Serial.print("x:");

 Serial.print(analogRead(PIN_ANALOG_X));

 Serial.print(" ");

  Serial.print("y:");

 Serial.print(analogRead(PIN_ANALOG_Y));

 Serial.print(" "); 

  Serial.print("s:");

 Serial.print(digitalRead(PIN_BUTTON_SELECT));

 Serial.print(" ");

  Serial.println();

}

• Si può separare la logica di programmazione di una certa applicazione da quella necessaria per la risoluzione di problemi specifici, quali il calcolo di funzioni matematiche o la gestione di collezioni;
• Le entità definite in una certa libreria possono essere riutilizzate da più applicazioni;
• Si può modificare la libreria separatamente dal programma, senza limiti alla potenziale vastità di funzioni e strutture dati man mano disponibili nel tempo.

 

 

 Esistono Servo di varia potenza, ingombro, funzionalità, ecc. ma la caratteristica fondamentale è che si comandano tutti allo stesso modo.

 Video

http://www.youtube.com/watch?v=dMblGufByqU&feature=player_embedded