Простой робот на МК esp8266 c micropython

Привет, Хабр!

Эта статья описывает процесс апгрейда самоходной платформы на базе МК esp8266 с micropython, до простейшего робота, оснащённого сканирующим ультразвуковым датчиком препятствий, мигающим светодиодом, кнопкой «старт/стоп», а также встроенным веб-сервером, в рамках учебного проекта.

КДПВ:

Итак, в первых двух частях было описано изготовление самоходной платформы, управляемой через web интерфейс по wifi.

Задача на текущий этап — оснастить эту платформу УЗ датчиком HC-SR04, и добавить возможность работы в автономном режиме.

Для начала — механическая часть:
необходимо закрепить датчик и сервомашинку в корпусе, проектируем (я использовал для этого FreeCAD) и изготавливаем недостающие детали:

Потом — электрическая:
составляем схему (например, во Fritzing) и выполняем коммутацию в соответствии с ней:

После чего, попытаемся заставить всё это взлететь…

Так как хотелось, что бы отдельные функции программы робота выполнялись параллельно (например, процесс сканирования дистанции до препятствий и функции движения), пришлось погрузиться в возможности модуля asyncio. Более подробно работа с asyncio описана в этой и этой статьях.

Например, для мигания светодиодом можно применить такую сопрограмм(coroutine), которая практически не отличается от синхронной:

import uasyncio as asyncio
from machine import Pin

# onboard LED is connected to D0(GPIO16)
syst_led =  Pin(16, Pin.OUT)

async def blink_led(led, interval_ms):
    led_val = True
    while True:
        led_val = not(led_val)
        led_state = led.value(int(led_val))
        await asyncio.sleep_ms(interval_ms)

# define loop
loop = asyncio.get_event_loop()

#create looped tasks
loop.create_task(blink_led(syst_led, interval_ms=250))

# loop run forever
loop.run_forever()

Отличие в том, что таких сопрограмм, выполняющих разные задачи, можно запустить несколько одновременно (ресурсы при этом будет распределять планировщик).

Таким образом, напишем сопрограммы для измерения дистанции и сканирования сектора, а так же callback на аппаратное прерывание (кнопку), запускающую или останавливающую сканирование. Передачу состояния между сопрограммами в простейшем случае можно сделать через глобальные переменные:

Callback для кнопки:

from machine import Pin

run_flag = False

# on/off button
button =  Pin(15, Pin.IN, Pin.PULL_UP) # connected to D8 (GPIO15)

# callback function for start/stop button
def callback(p):
    global run_flag
    run_flag = not(run_flag)
    print('set run_flag', run_flag, p)

# create callback for button:
button.irq(trigger=Pin.IRQ_FALLING, handler=callback)

Измерение дистанции:

import uasyncio as asyncio
from utime import sleep, sleep_us
from machine import Pin, time_pulse_us

# HC-SR04 ultrasonic sensor connected to GPIO12(D6)-trigger and GPIO13(D7)-echo
trig=Pin(12, Pin.OUT)
echo=Pin(13, Pin.IN)

async def async_measure_range():
    echo_timeout_us=500*2*30 # Timeout in microseconds to listen to echo pin.
    trig.off() # Stabilize the sensor
    sleep_us(5)
    trig.on()
    sleep_us(10) # Send a 10us pulse.
    trig.off()
    try:
        pulse_time = time_pulse_us(echo, 1, echo_timeout_us)
    except:
        pass
    dist = (pulse_time / 2) / 29.1
    return dist

Сканирование сектора (с вызовом сопрограммы измерения дистанции):

import uasyncio as asyncio
from machine import Pin, PWM

pos_actual = 75
dist_cm = 50

# servo SG90 connected to GPIO14(D5)
p14 =  Pin(14, Pin.OUT)
servo = PWM(p14, freq=50)

async def radar_scan(interval_ms):
    pos_list = [45,75,105,75]
    global pos_actual
    global dist_cm
    while True:
        if run_flag:
            for pos in pos_list:
                servo.duty(pos)
                await asyncio.sleep_ms(interval_ms)
                dist_cm = await async_measure_range()
                pos_actual = pos
                print('pos_actual = %s, dist_cm = %s' % (pos_actual, dist_cm)
        elif not run_flag:
            await asyncio.sleep(0) # do nothing

# define loop
loop = asyncio.get_event_loop(

#create looped tasks
loop.create_task(radar_scan(interval_ms=250))

# loop run forever
loop.run_forever()

В процессе отладки сенсор, время от времени, выдавал отрицательное значение дистанции. Оказалось — «Электроника — это наука о плохих контактах», при повороте датчика кабель натягивался и контакт терялся.

Осталось прикрутить логику выбора действия на основе результатов сканирования:

avoid_left = False
avoid_right = False
avoid_backward = False

async def make_decision(interval_ms, avoid_limit_cm):
    global avoid_left
    global avoid_right
    global avoid_backward
    while True:
        if run_flag:
            # make decision what to do
            if pos_actual == 45 and dist_cm < avoid_limit_cm :
                avoid_left = True
                if debug : print('avoid_left = %s' % avoid_left)
            elif pos_actual == 45 and dist_cm >= avoid_limit_cm :
                avoid_left = False
                if debug : print('avoid_left = %s' % avoid_left)
            elif pos_actual == 75 and dist_cm < avoid_limit_cm*1.25 :
                avoid_backward = True
                if debug : print('avoid_backward = %s' % avoid_backward)
            elif pos_actual == 75 and dist_cm >= avoid_limit_cm*1.25 :
                avoid_backward = False
                if debug : print('avoid_backward = %s' % avoid_backward)
            elif pos_actual == 105 and dist_cm < avoid_limit_cm :
                avoid_right = True
                if debug : print('avoid_right = %s' % avoid_right)
            elif pos_actual == 105 and dist_cm >= avoid_limit_cm :
                avoid_right = False
                if debug : print('avoid_right = %s' % avoid_right)
            # for debuging
            if debug : print('pos = %s, dist_cm = %s' % (pos_actual,dist_cm))  
            await asyncio.sleep_ms(interval_ms)
        elif not run_flag:
            await asyncio.sleep(0) # do nothing

#create looped tasks
loop.create_task(make_decision(interval_ms=250, avoid_limit_cm=15))

Двигательные функции:

from random import getrandbits

async def moving(interval_ms):
    while True:
        if run_flag:
            # moving functions
            if avoid_backward :
                print('avoid_backward = %s' % avoid_backward)
                await backward(interval_ms*2)
                if bool(getrandbits(1)) :
                    await right_rotate(interval_ms+getrandbits(3)*100)
                    await stop_all()
                else:
                    await left_rotate(interval_ms+getrandbits(3)*100)
                    await stop_all()
            elif avoid_left :
                print('avoid_left = %s' % avoid_left)
                await left_turn(interval_ms)
            elif avoid_right :
                print('avoid_right = %s' % avoid_right)
                await right_turn(interval_ms)
            else:
                print('move_forward')
                await forward(interval_ms)
                
            await asyncio.sleep_ms(interval_ms)
        elif not run_flag:
            #stop all motors first
            await stop_all()
            await asyncio.sleep(0) # do nothing

#create looped tasks
loop.create_task(moving(interval_ms=1000))

И управление моторами

# nodemcu pins from the motor shield
p5 = Pin(5, Pin.OUT)  # connected to GPIO4(D1)
p4 = Pin(4, Pin.OUT)  # connected to GPIO4(D2)
revrs_L = Pin(0, Pin.OUT, value=0)  # connected to GPIO0(D3)
revrs_R = Pin(2, Pin.OUT, value=0)  # connected to GPIO2(D4) , also connected to onboard wifi LED
motor_L = PWM(p5, freq=1000, duty=0)
motor_R = PWM(p4, freq=1000, duty=0)
speed = 1023  #TODO: variable speed

async def stop_all():
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(0)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(0)

async def forward(interval_ms):
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(speed)
    await asyncio.sleep_ms(interval_ms)

async def backward(interval_ms):
    revrs_L.value(1)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(1)
    motor_R.duty(speed)
    await asyncio.sleep_ms(interval_ms)

async def right_rotate(interval_ms):
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(1)
    motor_R.duty(speed)
    await asyncio.sleep_ms(interval_ms)

async def left_rotate(interval_ms):
    revrs_L.value(1)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(speed)
    await asyncio.sleep_ms(interval_ms)

async def right_turn(interval_ms):
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(0)
    await asyncio.sleep_ms(interval_ms)

async def left_turn(interval_ms):
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(0)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(speed)
    await asyncio.sleep_ms(interval_ms)

А также мигание светодиодом для контроля, что программа работает:

async def blink_led(led, interval_ms):
    led_val = True
    while True:
        if run_flag:
            led_val = not(led_val)
            led_state = led.value(int(led_val))
            await asyncio.sleep_ms(interval_ms)
        elif not run_flag:
            await asyncio.sleep(0) # do nothing

#create looped tasks
loop.create_task(blink_led(syst_led, interval_ms=250))

После чего, остаётся только собрать всё это

в одно целое

import gc
import uasyncio as asyncio
from utime import sleep, sleep_us
from machine import Pin, PWM, time_pulse_us
from random import getrandbits

# nodemcu pins from the motor shield
p5 = Pin(5, Pin.OUT)  # connected to GPIO4(D1)
p4 = Pin(4, Pin.OUT)  # connected to GPIO4(D2)
revrs_L = Pin(0, Pin.OUT, value=0)  # connected to GPIO0(D3)
revrs_R = Pin(2, Pin.OUT, value=0)  # connected to GPIO2(D4) , also connected to onboard wifi LED
motor_L = PWM(p5, freq=1000, duty=0)
motor_R = PWM(p4, freq=1000, duty=0)
speed = 1023  #TODO: variable speed

# servo SG90 connected to GPIO14(D5)
p14 =  Pin(14, Pin.OUT)
servo = PWM(p14, freq=50)
# on/off button
button =  Pin(15, Pin.IN, Pin.PULL_UP) # connected to D8 (GPIO15)
# onboard LED is connected to D0(GPIO16)
syst_led =  Pin(16, Pin.OUT)
# HC-SR04 ultrasonic sensor connected to GPIO12(D6)-trigger and GPIO13(D7)-echo
trig=Pin(12, Pin.OUT)
echo=Pin(13, Pin.IN)

#global flags and variables
run_flag = False
avoid_left = False
avoid_right = False
avoid_backward = False
pos_actual = 75
dist_cm = 50
debug = False


# callback function for start/stop button
def callback(p):
    global run_flag
    run_flag = not(run_flag)
    print('set run_flag', run_flag, p)

# sync fuctions
def stop_all_sync():
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(0)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(0)
    
# async fuctions
async def stop_all():
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(0)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(0)

async def forward(interval_ms):
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(speed)
    await asyncio.sleep_ms(interval_ms)

async def backward(interval_ms):
    revrs_L.value(1)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(1)
    motor_R.duty(speed)
    await asyncio.sleep_ms(interval_ms)

async def right_rotate(interval_ms):
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(1)
    motor_R.duty(speed)
    await asyncio.sleep_ms(interval_ms)

async def left_rotate(interval_ms):
    revrs_L.value(1)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(speed)
    await asyncio.sleep_ms(interval_ms)

async def right_turn(interval_ms):
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(0)
    await asyncio.sleep_ms(interval_ms)

async def left_turn(interval_ms):
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(0)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(speed)
    await asyncio.sleep_ms(interval_ms)

async def moving(interval_ms):
    while True:
        if run_flag:
            # moving functions
            if avoid_backward :
                print('avoid_backward = %s' % avoid_backward)
                await backward(interval_ms*2)
                if bool(getrandbits(1)) :
                    await right_rotate(interval_ms+getrandbits(3)*100)
                    await stop_all()
                else:
                    await left_rotate(interval_ms+getrandbits(3)*100)
                    await stop_all()
            elif avoid_left :
                print('avoid_left = %s' % avoid_left)
                await left_turn(interval_ms)
            elif avoid_right :
                print('avoid_right = %s' % avoid_right)
                await right_turn(interval_ms)
            else:
                print('move_forward')
                await forward(interval_ms)
                
            await asyncio.sleep_ms(interval_ms)
        elif not run_flag:
            #stop all motors first
            await stop_all()
            await asyncio.sleep(0) # do nothing


async def blink_led(led, interval_ms):
    led_val = True
    while True:
        if run_flag:
            led_val = not(led_val)
            led_state = led.value(int(led_val))
            await asyncio.sleep_ms(interval_ms)
        elif not run_flag:
            await asyncio.sleep(0) # do nothing
            
async def async_measure_range():
    echo_timeout_us=500*2*30 # Timeout in microseconds to listen to echo pin.
    trig.off() # Stabilize the sensor
    sleep_us(5)
    trig.on()
    sleep_us(10) # Send a 10us pulse.
    trig.off()
    try:
        pulse_time = time_pulse_us(echo, 1, echo_timeout_us)
    except:
        pass
    dist = (pulse_time / 2) / 29.1
    return dist

async def make_decision(interval_ms, avoid_limit_cm):
    global avoid_left
    global avoid_right
    global avoid_backward
    while True:
        if run_flag:
            # make decision what to do
            if pos_actual == 45 and dist_cm < avoid_limit_cm :
                avoid_left = True
                if debug : print('avoid_left = %s' % avoid_left)
            elif pos_actual == 45 and dist_cm >= avoid_limit_cm :
                avoid_left = False
                if debug : print('avoid_left = %s' % avoid_left)
            elif pos_actual == 75 and dist_cm < avoid_limit_cm*1.25 :
                avoid_backward = True
                if debug : print('avoid_backward = %s' % avoid_backward)
            elif pos_actual == 75 and dist_cm >= avoid_limit_cm*1.25 :
                avoid_backward = False
                if debug : print('avoid_backward = %s' % avoid_backward)
            elif pos_actual == 105 and dist_cm < avoid_limit_cm :
                avoid_right = True
                if debug : print('avoid_right = %s' % avoid_right)
            elif pos_actual == 105 and dist_cm >= avoid_limit_cm :
                avoid_right = False
                if debug : print('avoid_right = %s' % avoid_right)
            # for debuging
            if debug : print('pos = %s, dist_cm = %s' % (pos_actual,dist_cm))  
            await asyncio.sleep_ms(interval_ms)
        elif not run_flag:
            await asyncio.sleep(0) # do nothing

async def radar_scan(interval_ms):
    pos_list = [45,75,105,75]
    global pos_actual
    global dist_cm
    while True:
        if run_flag:
            for pos in pos_list:
                servo.duty(pos)
                await asyncio.sleep_ms(interval_ms)
                dist_cm = await async_measure_range()
                pos_actual = pos
        elif not run_flag:
            await asyncio.sleep(0) # do nothing
    
#stop all motors first
stop_all_sync()

# move servo to initial position
print('Move sensor to initial position...')
servo.duty(75)
sleep(1) #wait 1s for servo reaching initial position
print('Waiting for start button...')

#enable gc
gc.enable()

# create callback fo button:
button.irq(trigger=Pin.IRQ_FALLING, handler=callback)

# define loop
loop = asyncio.get_event_loop()

#create looped tasks
loop.create_task(blink_led(syst_led, interval_ms=250))
loop.create_task(radar_scan(interval_ms=250))
loop.create_task(make_decision(interval_ms=250, avoid_limit_cm=15))
loop.create_task(moving(interval_ms=1000))

# loop run forever
loop.run_forever()

и проверить в работе:

Однако, хотелось бы сохранить и возможность ручного управления через web-страничку…

Для этого, в отдельной сопрограмме добавим простенький веб-сервер:

async def web_page(request):
    global auto_run_flag
    motor_state="Stopped"
    if request.find('GET /?forward') > 0:
        motor_state="Going Forward"
        auto_run_flag = False
        forward_sync()
    elif request.find('GET /?left_rotate') > 0:
        motor_state="Rotate Left"
        auto_run_flag = False
        left_rotate_sync()
    elif request.find('GET /?right_rotate') > 0:
        motor_state="Rotate Right"
        auto_run_flag = False
        right_rotate_sync()
    elif request.find('GET /?left_turn') > 0:
        motor_state="Turn Left"
        auto_run_flag = False
        left_turn_sync()
    elif request.find('GET /?right_turn') > 0:
        motor_state="Turn Right"
        auto_run_flag = False
        right_turn_sync()
    elif request.find('GET /?backward') > 0:
        motor_state="Going Backward"
        auto_run_flag = False
        backward_sync()
    elif request.find('GET /?stop') > 0:
        motor_state="Stopped"
        auto_run_flag = False
        stop_all_sync()
    elif request.find('GET /?auto') > 0:
        auto_run_flag = not auto_run_flag
        if  auto_run_flag :
            motor_state="Autopilot"
        elif not auto_run_flag :
             motor_state="Stopped"
             stop_all_sync()

    html = """<html><head><title>RoboTank WEB</title> 
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
    <link rel="icon" href="data:,"> <style>
    html{font-family: Helvetica; display:inline-block; margin: 0px auto; text-align: center;}
    h1{color: #0F3376; padding: 2vh;}p{font-size: 1.5rem;}
    .button{display: inline-block; background-color: #33c080; border: none; 
    border-radius: 4px; color: white; text-decoration: none; font-size: 30px; width:100%}
    .button2{background-color: #4286f4; width:30%}
    .button3{background-color: #eb2b10; width:35%}
    .button4{background-color: #8386f4; width:44%}
    </style></head>
    <body> <h1>RoboTank WEB</h1> 
    <p>Status : <strong>""" + motor_state + """</strong></p>
    <p><a href='/?forward'><button class="button">Forward</button></a></p>
    <p><a href='/?left_turn'><button class="button button2">LEFT</button></a>
    <a href='/?stop'><button class="button button3">STOP</button></a>
    <a href='/?right_turn'><button class="button button2">RIGHT</button></a>
    <p><a href='/?backward'><button class="button">Backward</button></a></p>
    <p><a href='/?left_rotate'><button class="button button4">L-rotate</button></a>
    <a href='/?right_rotate'><button class="button button4">R-rotate</button></a></p>
    <p><a href='/?auto'><button class="button button3">AUTO</button></a></p>
    </body></html>"""
    return html

async def web_handler(reader, writer):
    try:
        request = str(await reader.read(1024))
        #print('request = %s' % request)
        header = """HTTP/1.1 200 OK\nContent-Type: text/html\nConnection: close\n\n"""
        response = await web_page(request)
        await writer.awrite(header)
        await writer.awrite(response)
        await writer.aclose()
        print("Finished processing request")
    except Exception as e:
        print(e)
    
async def tcp_server(host, port):
    server = await asyncio.start_server(web_handler, host, port)

#create looped tasks
loop.create_task(tcp_server('0.0.0.0', 80))

И синхронные функции движения для ручного управления.

def stop_all_sync():
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(0)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(0)

def backward_sync():
    revrs_L.value(1)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(1)
    motor_R.duty(speed)

def forward_sync():
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(speed)

def right_rotate_sync():
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(1)
    motor_R.duty(speed)

def left_rotate_sync():
    revrs_L.value(1)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(speed)
    
def right_turn_sync():
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(speed)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(0)

def left_turn_sync():
    revrs_L.value(0)
    motor_L.duty(0)
    revrs_R.value(0)
    motor_R.duty(speed)

Внешний вид интерфейса:

Испытания финальной версии:

Исходники доступны по ссылке.

Источники вдохновения:

docs.micropython.org/en/latest/library/uasyncio.html
habr.com/ru/post/484446
habr.com/ru/post/337420
habr.com/ru/post/484472
github.com/peterhinch/micropython-async/blob/master/TUTORIAL.md
github.com/rsc1975/micropython-hcsr04
medium.com/@pgjones/an-asyncio-socket-tutorial-5e6f3308b8b0

Источник: https://habr.com/ru/post/497062/

Вернуться к списку

Интересные статьи

Доклады второго ROS Meetup по навигации роботов

30 ноября 2019 прошёл 2-й ROS Russian MeetUp, организатор — Лаборатория робототехники Сбербанка, — собравший больше 200 ROS-разработчиков. В этом материале мы сделали подборку наиболее интересн...

Испанская инквизиция и робот для унижения: на что готовы «хищнические» конференции ради денег

Предисловие История, которую я вам хочу рассказать, началась с простой шутки. Некоторое время назад моя сестра рассказала мне про Джеймса Вейтча, который показал миру, как можно весело троллить ...

Время первых. История, как мы внедряли Scratch как язык программирования роботов

Смотря на текущее разнообразие образовательной робототехники радуешься, что детям доступно огромное количество конструкторов, готовых изделий и что планка «входа» в основы программирования опусти...

Плюсы и минусы готовых решений на 1С-Битрикс

Эта статья для тех, кто собирается открыть интернет-магазин, но еще рассматривает варианты и думает по какому пути пойти, заказать разработку магазина в студии, у фрилансера или выбрать облачный серви...

Сила толпы. Как в Чикаго разработали мусороедного робота – очистителя рек

Если вы пройдетесь по берегу реки Чикаго этим летом, вы увидите что-то довольно необычное. Среди уток, лебедей, рыбок, редких бобров и выдр время от времени будет проплывать небольшой робот. ...