Progetto finale: un veicolo radiocomandato

Vogliamo comandare un veicolo con un radiocomando sfruttando due schede Arduino che comunicano via radio. Il veicolo è quasi lo stesso utilizzato nel progetto finale 2013/2014, ma privo del sensore ad ultrasuoni e dotato invece di uno shield wireless per la comunicazione via radio.

La struttura del veicolo è costituita da un telaio in plastica che supporta:

• la parte elettronica, cioè la scheda arduino il motor shield e il wireless shield
• quella meccanica, cioè due motori in continua (con riduttore) collegati alle ruote in gomma e una ruota a sfera posteriore

Il radiocomando è realizzato su breadboard ed è dotato di quattro pulsanti per la marcia avanti, indietro, a destra e a sinistra. Sia il veicolo che il radiocomando montano uno shield con un modulo wireless Xbee per la comunicazione via radio.

Il risultato finale è questo:

Il Motor Shield Arduino si monta sopra la scheda Arduino e permette di collegare un motore alla scheda. Il componente principale dello shield è l'integrato L298 che contiene due ponti H con i quali comandare due motori in continua o un motore passo-passo. Si possono collegare motori da 5 a 12 Volt che assorbono una corrente fino a 2 Ampère. Per alimentare la scheda, lo shield e i due motori useremo quattro batterie stilo per un totale di 6 Volt.

Lo shield utilizza 8 pin della scheda Arduino; noi ne useremo quattro, in particolare:

NB lo shield usa anche i pin A0 e A1 per misurare le correnti e i pin 8 e 9 per l'arresto rapido dei motori; se si vuole utilizzare ad altro scopo questi pin occorre tagliare i rispettivi collegamenti sul retro dello shield¹⁾.

Comandare due motori in continua è molto semplice:

• stabiliamo la direzione di marcia dei motori impostando il valore HIGH o LOW sui pin 12 e 13
• regoliamo la velocità dei motori impostando un valore di tensione sui pin 3 e 11 (i due pin digitali vengono utilizzati come uscite analogiche grazie alla modulazione PWM)

In questo progetto utilizzeremo due motori in continua per muovere il robot. Le due ruote devono muoversi in maniera indipendente - avanti e indietro e con velocità diverse - per far cambiare direzione al robot.

Le caratteristiche principali dei motori in continua sono:

• alimentazione in corrente continua (batterie o alimentatori) tramite due morsetti
• buone prestazioni a tutte le velocità
• facilità di controllo

Il motore si aziona applicando tensione e la sua velocità è proporzionale al valore di tensione applicato. Per invertire la direzione è sufficiente invertire la tensione.

Il movimento del motore viene trasmesso al carico - in questo caso le ruote - attraverso l'albero. Più precisamente viene trasmessa una potenza meccanica che corrisponde al prodotto tra la velocità di rotazione e la coppia (la “spinta” o meglio l'equivalente della forza dei moti rettilinei):

`P=C cdot omega`

dove P è la potenza in Watt (W), C la coppia in Newton per metro (Nm) e ω la velocità in radianti al secondo (rad/s)²⁾.

Nel nostro caso non è possibile collegare direttamente le ruote all'albero perché i motori sono costruiti per girare molto velocemente - ad esempio a 1000 giri al minuto (rpm) - e le ruote girerebbero troppo velocemente. Per questo i motori montati sul telaio sono equipaggiati con un riduttore, un sistema ad ingranaggi che trasmette potenza meccanica riducendo la veocità, più o meno come il cambio di un'automobile o di una bicicletta.

I due motoriduttori (motore più riduttore) montati sul telaio hanno queste caratteristiche:

L'Xbee Shield si monta sopra la scheda Arduino (sopra il Motor shield nel veicolo) e permette di stabilire una connessione wireless con altre schede o con altri dispositivi compatibili con il protocollo ZigBee (un protocollo wireless diverso dal WiFi o dal Bluetooth di computer e smartphone). Sullo shield è montato un modulo wireless Xbee S2 della Digi International che gestisce la comunicazione via radio con altri dispositivi ZigBee. La vasta gamma di funzionalità offerta da questi moduli rende il loro utilizzo piuttosto complesso; noi ci limiteremo ad utilizzarne due già configurati (si fa da PC con un apposito software). Il risultato è che le due schede Arduino potranno comunicare tra loro con una semplice connessione seriale come quella del monitor seriale quando la scheda è collegata col cavo USB.

/* Progetto finale: veicolo radiocomandato
 * Questo sketch va caricato sulla scheda Arduino del veicolo
 * I due motori vengono comandati in base ai dati ricevuti via seriale:
 * 'a' -> avanti (i due motori vanno alla stessa velocità)
 * 'i' -> indietro (i due motori vanno indietro alla stessa velocità)
 * 'd' -> destra (motore destro più lento del sinistro)
 * 's' -> sinistra (motore sinistro più lento del destro)
 *
 * Nome:
 * Creato il:
 */
 
// pin che controllano la direzione del motore destro e sinistro
// valori: HIGH = avanti, LOW = indietro
int dirD = 12;
int dirS = 13;
 
// pin PWM che controllano la velocità del motore destro e sinistro
// valori: da 0 (motore fermo) a 255 (massima velocità)
int velD = 3;
int velS = 11;
 
// numero di byte da leggere ricevuti via seriale 
int numByte;
 
// dato ricevuto dalla seriale (un byte)
int byteRicevuto;
 
void setup(){
  // imposto i pin dei motori come uscite
  pinMode(dirD, OUTPUT);
  pinMode(dirS, OUTPUT);
  pinMode(velD, OUTPUT);
  pinMode(velS, OUTPUT);
  // imposto la comunicazione seriale
  Serial.begin(9600);
}
 
void loop(){
  // controllo quanti byte di dati sono stati ricevuti via seriale
  numByte = Serial.available();
  // se il numero è zero non sono stati ricevuti dati, se è uno o più
  // posso leggere i dati un byte per volta dal primo all'ultimo ricevuto
  if(numByte > 0){
    // leggo un byte
    byteRicevuto = Serial.read();
    // comando i due motori in base al carattere ricevuto da seriale:
    // a = avanti, i = indetro, d = destra, s = sinistra
    if(byteRicevuto == 'a'){
      //  marcia avanti
      digitalWrite(dirD, HIGH);
      digitalWrite(dirS, HIGH);
      analogWrite(velD, 255);
      analogWrite(velS, 255);
    }
    else if(byteRicevuto == 'i'){
      // marcia indietro
      digitalWrite(dirD, LOW);
      digitalWrite(dirS, LOW);
      analogWrite(velD, 255);
      analogWrite(velS, 255);
    }
    else if(byteRicevuto == 'd'){
      // gira a destra
      digitalWrite(dirD, HIGH);
      digitalWrite(dirS, HIGH);
      analogWrite(velD, 100);
      analogWrite(velS, 255);
    }
    else if(byteRicevuto == 's'){
      // gira a sinistra
      digitalWrite(dirD, HIGH);
      digitalWrite(dirS, HIGH);
      analogWrite(velD, 255);
      analogWrite(velS, 100);
    }
    else{
      // arresta i motori (dato ricevuto non valido)
      analogWrite(velD, 0);
      analogWrite(velS, 0);
    }
  }
  // arresta i motori se non sono stati ricevuti dati
  else{
    analogWrite(velD, 0);
    analogWrite(velS, 0);
  }
  // piccolo ritardo
  delay(10);
}

/* Progetto finale: veicolo radiocomandato
 * Questo sketch va caricato sulla scheda Arduino del radiocomando
 * Invio un comando al veicolo tramite seriale. 
 * I comandi (semplici caratteri) sono:
 * 'a' -> avanti 
 * 'i' -> indietro 
 * 'd' -> destra 
 * 's' -> sinistra 
 *
 * Nome:
 * Creato il:
 */
 
// pin collegati ai quattro pulsanti
int avanti = 2;
int indietro = 3;
int destra = 4;
int sinistra = 5;
 
void setup(){
  // imposto i pin dei pulsanti come ingressi
  pinMode(avanti, INPUT);
  pinMode(indietro, INPUT);
  pinMode(destra, INPUT);
  pinMode(sinistra, INPUT);
  // imposto la comunicazione seriale
  Serial.begin(9600);
}
 
void loop(){
  // controllo lo stato dei pulsanti e invio il carattere corrispondente
  if(digitalRead(avanti) == HIGH){
    Serial.print('a');
    delay(10);
  }
  else if(digitalRead(indietro) == HIGH){
    Serial.print('i');
    delay(10);
  }
  else if(digitalRead(destra) == HIGH){
    Serial.print('d');
    delay(10);
  }
  else if(digitalRead(sinistra) == HIGH){
    Serial.print('s');
    delay(10);
  }
}

• pagina con un approfondimento sulla comunicazione wireless con i moduli XBee
• i moduli del radiocomando e del veicolo montano rispettivamente un firmware coordinator e uno end-point con protocollo ZNet 2.5 AT
• lo shield XBee è obsoleto e presenta una serie di problemi:
  • per configurare i moduli bisogna rimuovere il microcontrollore dalla scheda Arduino
  • la selezione della connessione (tra moduli XBee o col PC via USB) si fa spostando dei jumper
  • i pin dell'alimentazione non sono replicati sullo shield (il pin 5V serve per il radiocomando)
  • lo shield normalmente è alimentato dal connettore ICSP che manca sul motor shield; per farlo funzionare bisogna collegare con due cavi i pin 5V e GND del motor shield al connettore ICSP dello shield XBee (i due agli estremi sul bordo della scheda)
  • il ritardo di 10 millisecondi aggiunto in trasmissione nel radiocomando serve a non saturare la seriale
  • il ritardo di 10 millisecondi nel ciclo loop del motore serve a far funzionare correttamente il driver del motor shield

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