AREXX ARDUINO ROBOT
AAR
BAUANLEITUNG: AAR-04
© AREXX - DIE NIEDERLANDE V022014
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Inhaltsverzeichnis
1. PRODUKTBESCHREIBUNG AAR 5
1.1 Die ARDUINO Roboterfamilie 5
1.2 Spezifikationen 5
1.3 Warnungen 5
2. ARDUINO ALLGEMEINE INFO 7
3. Der AREXX ARDUINO ROBOTER 12
3.1 LED Information des ARDUINO ROBOTERS 12
3.2 AAR Platinelayout 13
4. Erste Schritte auf dem Weg zur Installation 16
4.1 Download und Installation der Arduino Software 16
4.2 Die Programmiersprache Arduino 16
4.3 Installation eines USB-Treibers 16
4.4 Das Anschließen von Akkus 17
4.5 Programmierung des Roboters mit der Arduino Software. 18
4.6 Selektieren eines Arduino Programms 18
4.7 Festlegung der Com-Schnittstelle 19
4.8 Übertragung eines Programms zum Arduino Roboter 20
4.9
4.10 AAR Selbsttest 22
5. AAR Erweiterungsmodules
6. Hintergrundinformation zur H-Brücke 27
7. Odometrie-Systeme 30
8. Programmierung des Bootloaders 33
APPENDIX
A. Teileliste 35
B. Hauptplatine Oberseite 37
C. Hauptplatine Unterseite 38
D. Schaltbild AAR 39
E. 3D Platine 40
Fehlersuche und -Beseitigung 21
AREXX und AAR sind registrierte Warenzeichen von AREXX Engineering - HOLLAND.
© Deutsche Übersetzung/German translation (2014): AREXX Engineering (NL).
Diese Beschreibung ist urheberrechtlich geschützt. Der Inhalt darf auch nicht teilweise kopiert
oder über-nommen werden ohne schriftlicher Zustimmung des europäischen Importeurs:
AREXX Engineering - Zwolle (NL).
Hersteller und Vertreiber sind nicht haftbar oder verantwortlich für die Folgen unsachgemäßer
Behandlung, Einbaufehler und oder Bedienung dieses Produkts bei Mißachtung der Bauanleitung.
Der Inhalt dieser Gebrauchsanleitung kann ohne vorheriger Ankündigung unsererseits geändert
werden.
Technische Unterstützung beim Bauen
des Roboters:
WWW.AREXX.COM
Fabrikant:
AREXX Engineering
JAMA Oriental
© AREXX Holland und JAMA Taiwan
© Deutsche Übersetzung: AREXX - Die Niederlande
Europäischer Importeur:
AREXX Engineering
ZWOLLE Die Niederlande
WWW.ROBOTERNETZ.DE
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Impressum
©2014 AREXX Engineering
Nervistraat 16
8013 RS Zwolle
The Netherlands
Tel.: +31 (0) 38 454 2028
Fax.: +31 (0) 38 452 4482
E-Mail: Info@arexx.nl
“AAR und AREXX” sind eingetragenes Warenzeichen von AREXX Engineering.
Alle anderen Warenzeichen stehen im Besitz ihrer jeweiligen Eigentümer. Wir sind nicht
verantwortlich für den Inhalt von externen Webseiten, auf die in dieser Anleitung
verlinkt wird!
Hinweise zur beschränkten Garantie und Haftung
Die Gewährleistung von AREXX Engineering beschränkt sich auf Austausch oder Reparatur
des Roboters und seines Zubehörs innerhalb der gesetzlichen Gewährleistungsfrist bei
nachweislichen Produktionsfehlern, wie mechanischer Beschädigung und fehlender oder
falscher Bestückung elektronischer Bauteile, ausgenommen aller über Steckverbinder/Sockel angeschlossenen Komponenten. Es besteht keine Haftbarkeit für Schäden, die unmittelbar durch, oder in Folge der Anwendung des Roboters entstehen. Unberührt davon bleiben
Ansprüche, die auf unabdingbaren gesetzlichen Vorschriften zur Produkthaftung beruhen.
Sobald Sie irreversible Veränderungen (z.B. Anlöten von weiteren Bauteilen, Bohren von
Löchern etc.) am Roboter oder seinem Zubehör vornehmen oder der Roboter Schaden infolge von Nichtbeachtung dieser Anleitung nimmt, erlischt jeglicher Garantieanspruch!
Es kann nicht garantiert werden, dass die mitgelieferte Software individuellen Ansprüchen
genügt oder komplett unterbrechungs und fehlerfrei arbeiten kann. Weiterhin ist die Software beliebig veränderbar und wird vom Anwender in das Gerät geladen. Daher trägt der
Anwender das gesamte Risiko bezüglich der Qualität und der Leistungsfähigkeit des Gerätes
inklusive aller Software. Bitte beachten Sie auch die entsprechenden Lizenzvereinbarungen
auf der CD-ROM!
Diese Bedienungsanleitung ist urheberrechtlich geschützt.
Der Inhalt darf ohne vorherige schriftliche Zustimmung des
Herausgebers auch nicht teilweise kopiert oder übernommen
werden! Änderungen an Produktspezikationen und
Lieferumfang vorbehalten. Der Inhalt dieser Bedienungsanleitung kann jederzeit ohne vorherige Ankündigung
geändert werden.
Neue Versionen dieser Anleitung erhaltenSie kostenlos auf
http://www.arexx.com/
AREXX Engineering garantiert die Funktionalität der mitgelieferten Applikationsbeispiele
unter Einhaltung der in den technischen Daten spezizierten Bedingungen. Sollte sich der
Roboter oder die PC-Software darüber hinaus als fehlerhaft oder unzureichend erweisen, so
übernimmt der Kunde alle entstehenden Kosten für Service, Reparatur oder Korrektur.
WICHTIG
Vor dem ersten Gebrauch dieses Robot Arms lesen Sie bitte zuerst die Gebrauchsanleitung
aufmerksam durch! Sie erklärt die richtige Handhabung und informiert Sie über mögliche
Gefahren. Zudem enthält sie wichtige Informationen, die nicht allen Benutzern bekannt sein
dürften
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Symbole
Im Handbuch werden folgende Symbole verwendet:
Das “Achtung!” Symbol weist auf besonders wichtige Abschnitte hin, die sorgfältig beachtet werden müssen. Wenn
Sie hier Fehler machen, könnte dies ggf. zur Zerstörung des
Roboters oder seines Zubehörs führen und sogar Ihre eigene
oder die Gesundheit anderer gefährden!
Das “Information” Symbol weist auf Abschnitte hin, die nützliche Tipps und Tricks oder Hintergrundinformationen enthalten. Hier ist es nicht immer essentiell alles zu verstehen,
aber meist sehr nützlich.
Sicherheitshinweise
- Prüfen Sie die Polung der Batterien.
- Halten Sie die Elektronik stets trocken. Wenn das Gerät einmal nass geworden ist,
entfernen Sie sofort die Batterien oder die Stromversorgung
- Bei längerem Nichtgebrauch die Batterien entfernen bzw. die Stromversorgung trennen.
- Bevor Sie die Robot in Betrieb nehmen, prüfen Sie stets seinen Zustand sowie auch den
der Kabel.
- Wenn Sie meinen, dass das Gerät nicht länger sicher betrieben werden kann, trennen Sie
es sofort von der Stromversorgung und stellen Sie sicher, dass es nicht unabsichtlich
benutzt werden kann.
- Befragen Sie einen Fachmann, wenn sie sich der Bedienung, Sicherheit oder Anschluss des
Robot nicht sicher sind.
- Niemals de Robot in Räumlichkeiten oder unter ungünstigen Bedingungen betreiben.
- Die Robot besitzt hochempndliche Bauteile. Elektronische Bauteile sind sehr gegen
statische Elektrizität empndlich. Fassen Sie die Platine nur an den Rändern an und
vermeiden Sie direkten Kontakt mit den Bauteilen auf der Platine.
Normaler Gebrauch
Dieses Produkt wurde als Experimentierplattform für alle an Robotik interessierten
Personen entwickelt. Das Hauptziel besteht darin zu lernen, wie man das Gerät in C-Sprache
programmieren kann. Das Gerät ist kein Spielzeug! Es eignet sich nicht für Kinder unter 14
Jahren.
Das Gerät ist nur für Innengebrauch bestimmt. Es darf weder feucht noch nass werden.
Bitte achten Sie auch auf Kondenswasser, das sich bei einem Wechsel von einem kalten
in einen warmen Raum entwickeln kann. Warten Sie eine Weile, bis sich das Gerät an die
neuen Umgebungsbedingungen angepasst hat, bevor Sie es in Betrieb nehmen.
Jede andere Einsatzart als oben beschrieben kann zu Schäden und Risiken wie Kurzschluss,
Brand, Stromschlag usw. führen
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1. PRODUKTBESCHREIBUNG AAR
1.1 Die ARDUINO Roboterfamilie
Arduino ist eine „open source “-Plattform1 zur Entwicklung von Elektronikprototypen, die uns einen Mikrocontroller einschließlich aller
peripheren Schnittstellen und benötigter Software zur Verfügung
stellt.
Das Arduino-Konzept wurde entwickelt um auf möglichst einfacher
Weise die Handhabung mit der modernen Elektronik zu erlernen, die
man in der Roboterwelt, Softwaresteuerung und Sensoren verwendet.
Als Nachfolger des ASURO-Roboters, der in der Programmiersprache
C programmiert wird, ist jetzt der AREXX Arduino Roboter entstanden, der seinem Vorgänger ASURO ziemlich stark ähnelt, sich aber
aufgrund der „open source“-Programmiersprache Arduino wesentlich
einfacher programmieren lässt.
1 Open Source und quelloffen ist eine Palette von Lizenzen für Software, deren
Quell text öffentlich zugänglich ist und durch die Lizenz Weiterentwicklungen fördert.
1.2. Spezikationen:
Motoren 2 Gleichstrommotoren (3 Volt)
Prozessortyp ATmega328P-AU
Programmiersprache ARDUINO
Spannung 4 St. AAA Akku oder Batterie
4,8 - 5,5 Volt Max.
Stromverbrauch Min. 10 mA
Max. 600 mA
Kommunikation USB-Stecker
Erweiterungen die ASURO-Erweiterungen
sind einsetzbar
Höhe 40 mm
Breite 120 mm
Tiefe 180 mm
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1.3 Warnungen
1. Sie müssen dieses Handbuch gelesen haben ehe Sie auf einem
der Anschlüssen eine Stromquelle anschließen! Fehlerhafte
Anschlüsse können die Hardware schädigen.
2. Überprüfen Sie bitte sorgfältig die Anschlussbelegung! Arbeiten
Sie bei der Verdrahtung des Systems sehr sorgfältig. Falsche
Anschlüsse können Komponenten beschädigen. Beachten
Sie die korrekte Polarität der Stromversorgungsanschlüsse.
Eine Umpolung der Stromversorgungsanschlüsse kann die
Hardware beschädigen.
3. Verwenden Sie keine Stromversorgungssysteme mit
Spannungen, die über den spezifizierten Werten liegen!
Benutzen Sie stabilisierte und gefilterte
Stromversorgungssysteme um Spannungsspitzen zu
vermeiden.
4. Die Leiterplatte bietet keinerlei Schutz gegen Wasser- oder
Feuchtigkeitseinwirkung. Zur Aufbewahrung und Benutzung
des Systems sind nur trockene Räume geeignet.
5. Vermeiden Sie Kurzschlüsse mit jeglichen Metallgegenständen
und vermeiden Sie jegliche Überbelastung der Leiterplatte
oder Anschlüssen durch Ziehen, Drücken oder Gewichten.
6. Vermeiden Sie elektrostatische Entladungen
die Vorsichtsmaßnahmen, Warnungen und Dokumentation
in Wikipedias Eintrag „Elektrostatische Entladung“).
2
(siehe dazu
1.4 Algemein
* Mit dem Öffnen der Plastikbeutel mit Komponenten und
Teilen erlischt das Rückgaberecht.
* Lese vor dem Bauen zuerst die Gebrauchsanleitung
aufmerksam durch.
* Sei vorsichtig beim Hantieren der Werkzeuge.
* Baue nicht im Beisein kleiner Kinder. Die Kinder können sich
verletzen an den Werkzeugen oder kleine Komponenten und
Teile in den Mund stecken.
* Achte auf die Polung der Batterien.
* Sorge dafür, daß die Batterien und die Batteriehalter trocken
bleiben. Falls der Roboter naß wird, entferne dann die
Batterien und trockne alle Teile, so gut es geht.
* Entferne die Batterien, wenn der Roboter mehr als eine
Woche ruht.
2
Engl. electrostatic discharge, kurz ESD
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2. ARDUINO ALLGEMEINE INFO
2.1. Wer oder was ist ARDUINO?
Arduino ist ein open source-Einplatinen Mikrocontroller, der insbesondere Künstlern, Designern, Bastlern und anderen Interessierten den Zugang zur Programmierung und zu Mikrocontrollern und
die Projektarbeit an interaktiven Objekten erleichtern soll.
Die Arduino-Plattform basiert auf einer Atmega 168 oder Atmega
328 Mikrocontroller von Atmel. Das System stellt dem Anwender
sowohl digitale Ein- und Ausgänge als analoge Eingänge zur Verfügung. Damit kann das Arduino-System aus der Umgebung Signale
empfangen und anschließend darauf reagieren.
Es werden verschiedene Arduino-Platinen auf dem markt angeboten, wie zum Beispiel Arduino Uno, Arduino LilyPad und Arduino
Mega 2560. Da jede Arduino-Platine individuell seine spezischen
Eigenschaften aufweist kann man für wohl jedes Projekt die ideale
Arduino-Baugruppe auswählen.
Eingangssignale können zum Beispiel durch Schaltern, Lichtsensoren, Bewegungssensoren, Abstandssensoren und Temperatursensoren geliefert werden. Auch kann man Kommandos aus dem Internetbereich als Eingangssignale zuliefern. Ausgangssignale wiederum
können Motoren, Lämpchen, Pumpen und Bildschirme ansteuern.
Zur Programmierung verfügt das System über einem Compiler für
eine standardisierte Programmiersprache und einem Bootloader. Die
Programmiersprache basiert auf die Wiring-Programmiersprache, die
mit C++ übereinstimmt.
Arduino wurde zunächst in 2005 als Projekt gestartet in Ivrea,
Italien. Erklärtes Ziel war ursprünglich die Idee Studenten in
Projektarbeiten zu unterstützen, wobei die Prototyp-Erstellung
deutlich preiswerter sein sollte als bei vergleichbaren
herkömmlichen Methoden.
Die Entwicklergruppe um Massimo Banzi und David Cuartielles
benannten das Projekt nach einer historischen Gestalt mit dem
namen ‘Arduin von Ivrea’. Das Wort ‘Arduino’ bedeutet ‘Kräftiger
Freund’.
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2.2 Mikrocontroller!
Anwendungen
Ein Mikrocontroller (manchmal in der verkürzten Schreibweise auch
μC, uC oder MCU genannt) ist ein kleiner Computer in einer
integrierten Einzelschaltung, der den Prozessorkern, Speicher und
und einen Satz programmierbarer Ein-/Ausgangsanschlüsse enthält.
Programmspeicher und ein kleiner Datenspeicher, RAM (beziehungsweise Random Access Memory) gehören oft ebenfalls zur Ausstattung des Chips. Mikrocontroller werden in automatisch gesteuerten
Anlagen und Systemen eingesetzt, wie zum Beispiel in der Motorensteuerung, Implantaten, Fernsteuerungen, Bürosystemen, Spielzeug
und Hochleistungswerkzeugen.
Die Gewichtseinsparung und Kosteneinsparung durch Integration
des Mikroprozessors, Speicher und Ein-/Ausgangsanschlüsse auf einem Einzelchip führt dazu dass die Digitalsteuerung für immer mehr
Anwendungsbereiche noch wirtschaftlicher wird.
Ein typischer Haushalt in einer fortschrittlichen Wohngegend verfügt
über vier allgemeinen Mikroprozessoren und drei Dutzend Mikrocontroller Schaltungen. Ein Durchschnittstyp eines Mittelklassen-PKW
verwendet 30 oder mehr Mikrocontroller. Auch ndet man diese
Bauteile in vielen elektrischen Maschinen wie Waschmaschinen,
Mikrowellenherden und Telefonen.
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2.3. Leistungsverbrauch und Geschwindigkeit
Manche Mikrocontrollers arbeiten bei einer niedrigen Taktfrequenz
von 4 kHz und weisen einen geringen Leistungsverbrauch im
Milliwatt- oder Mikrowatt-Bereich auf. Sie können üblicherweise sofort auf einem Knopfdruck oder Interrupt-Prozess aktiviert werden.
Der Leistungsverbrauch liegt beim Warten (bei abgeschaltetem CPUClockgenerator sowie fast der kompletten Zusatzbeschaltung) im
Nanowattbereich, was eine Langlebigkeit der Batterien sicherstellt.
Andere Mikrocontroller werden eher im Hochleistungsbereich verwendet, wo man sie zum Beispiel als Digitale Signalprozessoren
(DSP) mit höheren Taktraten und höherem Leistungsverbrauch einsetzt.
Das Arduino-System arbeitet mit einem leistungsfähigen Atmel
328P-AU Single-Chip, der mit einem 8-bit Mikrocontroller (getaktet
mit 20MHz) und 32K Bytes In-System programmierbarem Flash-
Speicher ausgestattet ist. Die Stromversorgung ist recht exibel im
Bereich von DC7-12V, gewählt worden, wodurch man auf stabilen
und ordentlich abgesicherten Arbeitsbedingungen für den Chip und
abgetrennten Leistungsleitungen bis 2A für die Motorenversorgung
aufbauen kann.
2.4 Mikrocontroller Programme
Die Software für Mikrocontroller muss im auf dem Chip verfügbaren Speicherplatz passen, denn ein externer Zusatzspeicher wäre
zu kostspielig. Die Compiler und Assembler sind optimiert für die
Umsetzung der Hochsprache und Assemblercodes in kompakte Maschinenbefehle, die in den Speicher des Mikrocontrollers abgelegt
werden.
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3
Je nach Chiptyp kann das Programm in einem permanenten ROM
-Speicher,
der nur während der Fertigung des Chips beschrieben werden kann, oder in
einem immer wieder beschreibbaren Flash – oder mehrfach beschreibbarem
ROM-Speicher gespeichert werden.
Ursprünglich hat man Mikrocontroller nur in Assemblersprache programmiert,
aber zur Zeit sind auch verschiedene höheren Programmiersprachen für die
Programmierung der Mikrocontroller verfügbar. Diese Sprachen sind entweder Spezialsprachen oder Varianten der allgemeinen Hochsprachen wie zum
Beispiel C. Verkäufer der Mikrocontroller bieten oft gratis Werkzeuge an um
die Implementierung der Hardware zu vereinfachen. Das Arduino-System stellt
uns etwa 16 kBytes Flash-Speicher für die sogenannten Sketch-Programme
zur Verfügung, die in C programmiert werden können.
2.5 Schnittstellenarchitektur
Mikrocontroller verfügen in der Regel über verschiedenen bis Dutzenden von
frei programmierbaren Ein-/Ausgangspins (GPIO). Die GPIO-Anschlüsse sind
mittels Softwarekommandos programmierbar als Eingangs- beziehungsweise
Ausgangspins. Bei Programmierung als Eingangspins werden sie oft zum
Ablesen der Sensoren oder externen Signalen verwendet. Programmiert man
sie als Ausgangspins kann man sie zum Beispiel zur LED- oder Motoransteuerung verwenden.
Eine Vielzahl an eingebetteten Systemen benötigt die Ablesemöglichkeit der
Analogsignalen von den Sensoren. Zu diesem Zweck werden Analog/Digitalwandler (A/D-Wandler oder in Englisch ADC4) eingesetzt.
Da die Prozessoren speziell zur Verarbeitung von Digitaldaten, das heißt Nullen und Einsen, entwickelt worden sind, können sie mit den Analogsignalen
der Sensoren an sich nichts anfangen. Deshalb werden die A/D-Wandler eingesetzt um die eintreffenden Daten in eine für den Prozessor lesbaren Form
zu verwandeln.
3
ROM = Read Only Memory (nur lesbarer Speicher)
4
Analog-to-digital converter (ADC)
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Ein weniger üblichen Form der Datenverwandlung in Mikrocontroller ist die Di-
5
gital zu Analog-Umwandlung (im D/A-Wandler oder DAC
) womit der Prozes-
sor Analogsignale oder Spannungspegel erzeugen kann.
Zusätzlich zu den Konvertern verfügen einige eingebettete Systeme auch
noch über Zeituhr-Schaltungen (Timers). Eins der gängigen Zeituhrtypen
ist die Programmierbare Intervall-Zeituhr (PIT6) , der von einem beliebigen
Anfangswert herabzählt nach Null. Nachdem es die Null erreicht hat sendet
die Uhr einen Interrupt an den Prozessor als Signal, dass die eingestellte Zeit
abgelaufen ist. Das ist eine nützliche Funktion für zum Beispiel Thermostaten,
die regelmäßig die Umgebungstemperatur registrieren und prüfen sollen,
um - falls notwendig – die Klimaanlage beziehungsweise Heizung ein zu
schalten.
Das universelle asynchrone UART7-Transceivermodul erlaubt uns ohne allzu
viel Prozessoraufwand Kommunikationsdaten über einer seriellen Leitung mit
anderen Systemen aus zu tauschen (das heißt zu versenden und zu empfangen).
Spezielle integrierte Hardware im Chip ermöglicht oft auch die Kommunikation
mit anderen Chips in Digitalformaten wie I2C und Serial Peripheral Interface
(SPI).
Das Arduinosystem stellt uns 14 digitale I/O-Anschlüsse und 7 analoge I/OAnschlüsse zur Verfügung (I/O- das heisst: Eingang/Ausgangs-).
5
Digital-to-analog converter (DAC)
6
Programmable Interval Timer (PIT)
7
Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART)
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3. AREXX ARDUINO ROBOT
Abb.: AAR PCB
3.1 ARDUINO ROBOTER LEDS
LED 1. Rot Liniensensor (Boden)
LED 2. Blau Frei programmierbar
LED 3. Rot USB-Daten
LED 4. Grün USB-Daten
LED 5. Blau Power LED
LED 6. IR Infrarot LED für den linksseitigen Radsensor
LED 7. NA entfällt (NA = Not Applicable)
LED 8. Rot Motoranzeige Links Vorwärts
LED 9. Rot Motoranzeige Links Rückwärts
LED 10. Rot Motoranzeige Rechts Rückwärts
LED 11. Rot Motoranzeige Rechts Vorwärts
LED 12. Grün Sendesignal - TX serial
LED 13. Rot Empfangssignal - RX serial
LED 14. Blau Frei programmierbar
LED 15. NA entfällt (NA = Not Applicable)
LED 16. Rot Impuls für den rechtsseitiger Radsensor
LED 17. Rot Impuls für den linksseitiger Radsensor
LED 18. IR Infrarot LED für den rechtsseitigen Radsensor
LED 14 blinkt nur bei Betrieb eines Bootloaders
LED 14 ist abgeschaltet falls kein Bootloader in Betrieb ist
LED 14 blinkt kurz nach dem Einschalten, während ein Programm
geladen wird.
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