Arduino Robotics

Cover......Page 1
Arduino Robotics......Page 2
ISBN-13 (pbk): 9781430231837......Page 3
Dedication Page......Page 4
Contents at a Glance......Page 5
Table of Contents......Page 6
About the Authors......Page 20
About the Technical Reviewers......Page 22
Acknowledgments......Page 23
Prerequisites......Page 25
CHAPTER 1 The Basics......Page 26
Electricity......Page 27
Electrical Analogy......Page 28
Electrical Basics......Page 29
Circuits......Page 31
Multi-Meters......Page 32
Measuring Voltage......Page 33
Measuring Capacitance......Page 34
Measuring Resistance......Page 35
Calculating Resistor Power Using Ohm’s Law......Page 36
Oscilloscope......Page 37
Resistive Loads......Page 38
Parallel Connections......Page 39
Electronics......Page 40
Datasheets......Page 41
Integrated Circuits......Page 42
Through-Hole Components......Page 43
Surface-Mount Components (SMT or SMD)......Page 44
Arduino Variants......Page 45
Standard Arduino......Page 46
Clones......Page 47
Arduino IDE......Page 48
The Setup Function......Page 49
The Loop Function......Page 50
Signals......Page 51
Digital Outputs......Page 52
Special Case: External Interrupts......Page 53
Analog Inputs......Page 55
Analog Outputs (PWM)......Page 56
Duty-Cycle......Page 57
Frequency......Page 58
Homemade PWM Example......Page 59
Circuit Design......Page 60
Schematics......Page 61
Breadboard......Page 65
Perforated Prototyping Board (Perf-Board)......Page 66
Printed Circuit Boards......Page 67
Soldering......Page 68
Soldering Shortcuts......Page 70
Basic Building Tools......Page 71
Work Area......Page 73
Summary......Page 74
Interfacing Arduino......Page 76
Types of Relays......Page 77
Relay Configurations......Page 78
Calculating Current Draw......Page 80
Solid-State switches......Page 82
Bipolar Junction Transistor (BJT)......Page 83
Mosfets......Page 85
Mosfet Capacitance......Page 86
Calculating heat using Rds(On) and amperage of DC motor......Page 87
Parallel Mosfets......Page 88
Photo-Transistors......Page 89
Motor-controller ICs......Page 90
Electronic Speed Controllers (ESCs)......Page 91
Infrared Control (IR)......Page 93
Radio Control Systems......Page 94
Frequency Modulation (FM)......Page 95
Xbee......Page 96
Bump Switch......Page 97
IR Sensor......Page 98
Laser Range Finder......Page 100
Accelerometer......Page 101
Inertial Measurement Unit (IMU)......Page 102
Real Time Kinetic (RTK) GPS......Page 103
Camera......Page 104
Current Sensor......Page 105
Summary......Page 106
Electric Motors......Page 108
Brushed DC Motor (Permanent Magnet Type)......Page 109
Brushless Motors......Page 110
Stepper Motors......Page 111
Servo Motors......Page 113
Linear Actuators......Page 115
Driving......Page 116
The H-Bridge......Page 117
Generating a Brake......Page 118
Implementation......Page 119
Method 1: Simple Switches......Page 120
Method 2: DPDT Relay with Simple......Page 121
Method 3: P-Channel and N-Channel Mosfets......Page 122
H-Bridge ICs......Page 123
Changing PWM Frequencies......Page 124
Back EMF......Page 126
Current Sensing......Page 128
Small (Up to 3amps)......Page 129
Medium (Up to 10amps)......Page 130
The Open Source Motor Controller (OSMC)......Page 131
Nickel Cadmium (NiCad)......Page 132
Nickel Metal Hydride (NiMH)......Page 133
Lithium Polymer (LiPo)......Page 134
Lead-Acid......Page 135
Charging......Page 138
Metals......Page 139
Nuts and Bolts......Page 140
Summary......Page 141
CHAPTER 4 Linus the Line-Bot......Page 144
Parts List for Linus......Page 145
How Linus Works......Page 147
Building the IR Sensor Board......Page 148
Modifying a Servo for Continuous Rotation......Page 157
Method 1: Direct DC Drive with External Speed Controller......Page 158
Method 2: Servo Pulse Drive with Internal Motor Driving Circuitry......Page 160
Fitting the Drive wheels......Page 162
Making a Frame......Page 166
Making Connections......Page 173
Loading the Code......Page 175
Making the Track......Page 181
Testing......Page 182
LED Lights......Page 183
Painting......Page 185
Adding Speed Regulator (Potentiometer)......Page 189
Summary......Page 192
CHAPTER 5 Wally the Wall-Bot......Page 194
How Wally Works......Page 195
Parts List for Wally......Page 197
The Motor-Controller......Page 198
The Low-Side Switches......Page 199
Building the Circuit......Page 201
Building the Frame......Page 207
Installing the Sensors......Page 212
Installing the Battery and Power Switch......Page 215
Installing a Power Switch......Page 216
The Code......Page 217
Code Objectives......Page 218
Summary......Page 226
PCB Basics......Page 228
What You Need to Get Started......Page 229
Circuit Design......Page 231
Searching for Open-Source Designs......Page 232
Board Layouts......Page 233
Working with the Schematic Editor......Page 236
Working with the Board Editor......Page 241
Transferring the Design......Page 251
Let’s Make an Arduino Clone: the Jduino......Page 252
Making the Transfer......Page 253
Etching......Page 261
Measuring the Solution......Page 262
Etching: Method 1......Page 263
Etching: Method 2......Page 264
Removing the Toner......Page 267
Drilling......Page 270
Soldering......Page 271
Building the Arduino Clone......Page 272
Building the BJT H-Bridge......Page 275
Testing......Page 278
Summary......Page 281
CHAPTER 7 The Bug-Bot......Page 282
Reading a Switch with Arduino......Page 283
Antennae Sensors......Page 284
Parts List for the Bug-bot......Page 285
Modifying the Servo Motors......Page 286
Controlling the Servo Motors......Page 289
Converting the Pulse Value to Degrees......Page 290
Mounting the Wheels to the Servos......Page 291
Marking the PlexiGlass......Page 292
Cutting the PlexiGlass......Page 294
Mounting the Motors......Page 296
Mounting the Caster Wheels......Page 297
Mounting the Arduino......Page 299
Installing the Battery......Page 300
The Front Antennae Sensors......Page 302
The Rear Bump Sensors......Page 303
Making Wire Connections......Page 306
Creating a Delay......Page 308
Variables......Page 309
The Code......Page 310
Making a Top Hat......Page 317
Summary......Page 319
CHAPTER 8 Explorer-Bot......Page 320
R/C Control......Page 321
Xbee-Enabled......Page 322
Parts List for the Explorer-Bot......Page 323
Specs......Page 325
Adding Battery Bracket......Page 326
Cut Top Frame Braces......Page 328
Cut and Bend Main Frame Piece......Page 329
Add Crossbar and Mount Caster Wheel......Page 331
Building the Motor Controller......Page 333
H-bridge Design......Page 334
Setting Up the Arduino......Page 338
Connecting the H-Bridges......Page 339
Setting Up Xbee......Page 340
Testing the Xbees......Page 342
Adding a Camera......Page 343
Make First Bracket......Page 344
Loading the Code......Page 346
Summary......Page 354
CHAPTER 9 RoboBoat......Page 356
Parts List for the RoboBoat......Page 357
Polystyrene Foam......Page 360
Fiberglass Fabric......Page 361
The RoboBoat Design......Page 363
The Templates......Page 365
Gluing the Templates on the EPS/XPS Board......Page 367
Cutting Out the Segments......Page 368
Gluing the Segments Together......Page 371
Inserting the Foam Anchors......Page 372
The Coating......Page 373
The Fins......Page 375
The Deck......Page 376
Completing the Assembly......Page 377
The Propulsion Assembly......Page 381
The Baseplate......Page 382
The Pivot......Page 383
The Tube......Page 384
The Motor......Page 385
Electronics......Page 386
The Heart of the System: The ArduPilot PCB......Page 387
The GPS Module......Page 388
The Electronic Speed Controller (ESC)......Page 389
Assembling the Electronics......Page 390
The Programming Adapter......Page 392
GPS Receivers......Page 393
The Software......Page 394
AP_RoboBoat Module......Page 395
Debug Module......Page 397
Init Module......Page 399
Navigation Module......Page 400
PID_control Module......Page 407
Servo_control Module......Page 409
Header Files......Page 411
Installing the Arduino IDE......Page 412
Configuring the Arduino IDE......Page 413
Compiling and Uploading the Code......Page 414
Customizing the Code......Page 415
Customizing the Motor Speed......Page 416
Mission Planning......Page 417
Employing Google Earth for the Coordinates......Page 418
Putting It All Together......Page 421
Integrating the System......Page 422
Ships Ahoy!......Page 424
The Thrust of the Motor/Propeller Is Not Sufficient......Page 425
The Motor Does Not Start......Page 426
Summary......Page 427
CHAPTER 10 Lawn-Bot 400......Page 428
How the Lawn-bot 400 Works......Page 429
Lawn Mower Deck......Page 430
Headlights......Page 431
Parts Lists......Page 432
The Wheels......Page 433
Rear Drive Wheels......Page 434
Installing Sprockets......Page 435
The Frame......Page 437
Motor Mount Brackets......Page 445
Installing the Chain......Page 449
Sabertooth 2x25......Page 452
Motor Controller feedback......Page 454
The Arduino......Page 455
Building a Breakout Board......Page 456
The Failsafe......Page 460
R/C Toggle Switch......Page 461
Power Relays......Page 464
Avoiding an R/C Failsafe......Page 465
Making Connections......Page 466
The Code......Page 467
Painting......Page 472
Headlights......Page 473
Dump Bucket......Page 474
Summary......Page 476
CHAPTER 11 The Seg-Bot......Page 478
Engage Switch......Page 480
Parts List for the Seg-Bot......Page 481
Selecting the Right Sensors......Page 482
Accelerometer......Page 484
Gyroscope......Page 486
Gyroscope Drift......Page 487
Weighted Average......Page 488
Making the IMU Adapter Board......Page 489
Selecting the Motors......Page 490
Electric Brake Removal......Page 492
Motor Mounting Position......Page 496
Selecting the Motor Controller......Page 497
SoftwareSerial Library......Page 498
Sabertooth Simplified Serial......Page 499
Sealed Lead-Acid......Page 500
12v Supply......Page 501
The Frame......Page 502
Frame Design......Page 503
Building the Frame......Page 504
Level-Start......Page 508
Mounting the Inputs to the Frame......Page 509
Installing the Electronics......Page 513
Soldering the Inputs......Page 516
Wiring the Connections......Page 517
Reviewing the Code......Page 518
Checking the Angle Readings......Page 521
The read_pots() Function......Page 522
The auto_level() Function......Page 523
The update_motor_speed() Function......Page 524
The time_stamp() Function......Page 526
The serial_print_stuff() Function......Page 527
The Full Code......Page 528
Testing......Page 534
References......Page 536
CHAPTER 12 The Battle-Bot......Page 538
Battle-Bot Rules and Regulations......Page 540
No Price Limit!......Page 541
Parts List for the Battle-Bot......Page 542
Fly Sky CT-6: The $32, 5-ch*, 2.4GHz Radio Alternative......Page 545
The Arduino......Page 548
The Motor Controllers......Page 549
The Frame......Page 550
To Buy or Build?......Page 551
Modifying the Wheels......Page 552
Building the Frame......Page 553
The Drive Train......Page 557
Modifications......Page 558
Chain Tensioning Nut......Page 559
Threading Sequence......Page 560
Measuring the Chain......Page 561
Adding Spacers......Page 562
Batteries......Page 563
Securing Electronics......Page 565
Protecting Your Brains......Page 566
Making Connections......Page 567
The Code......Page 570
Armor......Page 575
Weapons......Page 577
Additional Information......Page 586
Summary......Page 587
Using Processing to Decode the Signals......Page 588
Parts List for Alternate Control......Page 589
Selecting the Input......Page 590
Following Protocol......Page 591
Examining the Processing Sketch......Page 592
Explanation......Page 595
Testing Processing......Page 597
Examining the Arduino Sketch......Page 599
Summary......Page 604
Index......Page 606