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Robot simple en MK esp8266 con micropython

Hola Habr!

Este artículo describe el proceso de actualización de una plataforma autopropulsada basada en el esp8266 MK con micropython , a un robot simple equipado con un sensor de obstáculos ultrasónico de escaneo, un LED parpadeante, un botón de inicio / parada, así como un servidor web integrado, como parte de un proyecto de capacitación.

KDPV:



Entonces, las dos primeras partes describieron la fabricación de una plataforma autopropulsada controlada a través de una interfaz web wifi.

La tarea para la etapa actual es equipar esta plataforma de ultrasonido con el sensor HC-SR04 y agregar la capacidad de trabajar sin conexión.

Para comenzar, la parte mecánica:
es necesario reparar el sensor y el servo en la caja, diseñar (usé FreeCAD para esto ) y hacer las partes que faltan:





Luego, la eléctrica:
dibuje el circuito (por ejemplo, en Fritzing ) y realice la conmutación de acuerdo con esto:



después de eso, intenta hacer que todo vuele ...

Como quería que ciertas funciones del programa de robot se realizaran en paralelo (por ejemplo, el proceso de escaneo de la distancia a los obstáculos y la función de movimiento), tuve que sumergirme en las capacidades del módulo asincio . En este y en este artículo se describe un trabajo más detallado con asyncio .

Por ejemplo, para parpadear un LED, puede aplicar dicha rutina, que prácticamente no es diferente de la síncrona:

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()

La diferencia es que las rutinas que realizan diferentes tareas pueden iniciarse varias al mismo tiempo (los recursos serán asignados por el planificador).

Por lo tanto, escribiremos corutinas para medir la distancia y escanear el sector, así como una devolución de llamada para una interrupción de hardware (botón) que inicia o detiene el escaneo. La transferencia de estado entre corutinas en el caso más simple se puede hacer a través de variables globales:

Devolución de llamada para el botón:

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)

Medida de distancia:

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

Escaneo sectorial (con la llamada a la corutina de medición de distancia):

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()

En el proceso de depuración, el sensor, de vez en cuando, daba un valor de distancia negativo. Resultó: "La electrónica es la ciencia de los malos contactos" , cuando se giró el sensor, se tiró del cable y se perdió el contacto.

Queda por fijar la lógica de la elección de la acción basada en los resultados del escaneo:

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))

Funciones del motor:

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))

Y control del motor
# 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)


Además de un LED parpadeante para controlar que el programa está funcionando:

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))

Después de lo cual, solo queda recolectar todo esto

en una pieza
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()

y comprobar en el trabajo:

Sin embargo, me gustaría mantener la posibilidad de control manual a través de la página web ...

Para esto, en una rutina separada, agregue un servidor web simple:

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">
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    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))

Y funciones de movimiento sincrónico para control manual.
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)


Aspecto de la interfaz:



Pruebas de la versión final:


Las fuentes están disponibles aquí.

Fuentes de inspiración:

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

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