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: