Программирование, радиоэлектроника,
саморазвитие и частичка из моей жизни здесь...

Изготовление платформы для самодельного робота (шасси, двигатели, акустика, УНЧ на TDA1517)

Рассказано о том, как изготовить платформу для небольшого самодельного робота, где брать запчасти и материалы, приведены идеи по креплению двигателей и акустических систем. Поделюсь результатами своих испытаний усилителя на микросхеме PAM8403, а также опишу как я применил усилитель звука на микросхеме TDA1517.

Речь будет идти о роботе по имени "Zer0" - небольшом экспериментальном проекте, который был создан для обучающих, развлекательных и других всевозможных целей.

В этой статье я детально остановлюсь на изготовлении шасси с креплением к нему электродвигателей и колес, а также покажу вариант изготовления встроенных миниатюрных акустических систем мощностью 2x3W.

Содержание:

  1. Предисловие
  2. Запчасти и материалы
  3. Крепление мебельного колесика к платформе
  4. Крепление колес к двигателям
  5. Крепление двигателей к платформе
  6. Изготовление акустической системы 2х3Вт
  7. Несколько слов об усилителе НЧ на микросхеме PAM8403
  8. Усилитель мощности на микросхеме TDA1517
  9. В завершение

Предисловие

Пожалуй первое, с чем столкнется конструктор при сборке умного самодельного робота - это выбор прочной и устойчивой платформы, которая позволит будущему роботу уверенно перемещаться внутри помещений, коридоров и при необходимости даже на улице.

Где взять платформу для будущего робота? - вот некоторые варианты:

  1. Купить в местном или интернет-магазине;
  2. Использовать основу от какой-то интерактивной игрушки (например от модели автомобиля);
  3. Изготовить самостоятельно.

В интернет-магазинах продаются шасси для небольших самодельных роботов на основе Arduino - такие платформы в большинстве случаев изготовлены из пластика, имеют низкую прочность, качество изготовления оставляет желать лучшего, причем цена может быть не маленькой.

Хорошая и надежная платформа с ходовыми движками, в которой все по большей части изготовлено из металла, будет стоить уже сотни долларов.

Использование готовой движущейся основы от какой-то электронной игрушки - это не плохой вариант, в некоторых случаях он может стать очень экономным решением. Но и здесь есть свои минусы: как правило установлены дешевые и не надежные электродвигатели, слабый редуктор с пластмассовыми шестеренками, в большинстве случаев все изготовлено из дешевого пластика.

Если планируемый робот будет небольших размеров, то такую платформу вполне можно изготовить из подручных материалов, не понеся при этом больших финансовых затрат. Для шасси можно выбрать любой понравившийся материал - будь то металл, дерево, органическое стекло, пластик и т.п.

С движками и редукторами здесь также можно дать волю фантазии, прикрепить их к платформе можно будет как угодно, все точно подогнав и настроив по своему желанию.

К тому же саму платформу можно исполнить в любой желаемой форме - полу-сфера, пирамида, куб, сложная конструкция на подобии человеческого тела и т.п.

Самостоятельное изготовление шасси для робота - это достаточно сложный, но и наиболее гибкий, интересный и полезный с точки зрения опыта вариант.

Платформу для своего робота Zer0 я решил изготавливать вручную - из того что было в наличии и удалось найти/прикупить с минимальными затратами.

Запчасти и материалы

Мой робот является экспериментальным, он предназначен для перемещения внутри дома или квартиры, поэтому особо большой прочности платформы здесь не нужно, можно сэкономить на весе конструкции и материалах.

Первым делом нужно было определиться с тем, сколько колес будет у будущей платформы для робота. Я решил использовать два ведущих колеса (для 2х моторов), а вместо установки еще двух пассивных колес сзади будет использовано одно колесико от мебели, которое умеет следовать за направлением движения.

Если оба двигателя будут работать синхронно за часовой стрелкой или против нее - робот будет двигаться соответственно вперед или назад.

Если будет работать только один из двигателей - платформа будет вращаться вокруг своей оси (колеса что соединено с другим двигателем) в соответствующем направлении.

Держатель колесика от мебели установлен на подшипник, таким образом колесико будет поворачиваться и следовать направлению движения платформы, надежно держа на себе вес задней части конструкции. Это позволило сэкономить ресурсы на поиск и покупку двух дополнительных колес.

Чтобы более наглядно показать как это все размещено и будет работать, я в масштабе набросал примерный план платформы, используя популярную свободную программу для 3D-моделирования - Blender. Вот что получилось (рисунок кликабелен):

Общий план платформы для самодельного робота с тремя колесами, созданный в программе Blender

Рис. 1. Общий план платформы для самодельного робота с тремя колесами, созданный в программе Blender.

Основу решил изготавливать из дерева. Чтобы определиться с размерами основы выложил на стол основные компоненты:

  • аккумулятор,
  • мини-компьютер Rasperry Pi,
  • двигатели с колесами,
  • колесико с подшипником,
  • несколько платок с датчиками
  • платки преобразователей напряжения.

Этот тот минимум компонентов, который в моем случае должен размещаться на платформе. Немного поигравшись с размещением всех деталей, нашел наиболее удачный и плотный по компоновке вариант. С помощью линейки измерил примерные размеры прямоугольника с деталями - 210х145мм.

Для изготовления основы была найдена деревянная доска толщиной примерно 15мм. С помощью лобзика я обрезал ее до нужных размеров, прошлифовал все плоскости, а также немного закруглил все острые углы.

Деревянная основа для платформы будущего самодельного робота

Рис. 2. Деревянная основа для платформы будущего самодельного робота.

Колесико от мебели мне удалось найти у себя в свалке запчастей. Подобное и более удачное колесико можно купить в строительном супермаркете или же поспрашивать у тех, кто занимается изготовлением различной мебели.

Заднее колесико для роботизированной платформы

Рис. 3. Заднее колесико для роботизированной платформы.

Колесико старое, похоже что от какого-то очень крепкого кресла, но крутится уже с трудом. Пришлось его разобрать, очистить внутренности от скопившейся грязи и выполнить смазку трущихся поверхностей техническим маслом.

 Колесо от мебели в разобранном виде, все части очищены и смазаны техническим маслом

Рис. 4. Колесо от мебели в разобранном виде, профилактическая очистка.

Как я уже писал в первом посте про робота, мне достались несколько колес от какой-то радиоуправляемой машинки, а также когда-то мне подарили несколько моторов на 24В с редукторами.

От машинки осталась даже задняя ось, на которой были закреплены два колеса, ее наконечники изготовлены из пластика в виде шестигранных цилиндров.

Колеса с резиновыми шинами можно взять из недорогой модели автомобиля, поспрашивав у знакомых или продавцов на базаре нет ли у них нерабочих игрушек с подходящими колесами.

Как вариант можно даже купить рабочую модель автомобиля и использовать ее как донора, бонусом при разборке может стать простой комплект из плат для радиоуправления с рабочей частотой 27МГц или 430МГц (мощность передатчика примерно 5-10мВт), отсек для батареек, электродвигатель и т.п.

Пожалуй наиболее сложно здесь будет достать электро-моторчики с надежными редукторами, в которых шестеренки изготовлены из металла.

В крайнем случае такие движки можно заказать в интернет магазинах электронных компонентов или в каком-то онлайн-маркете наподобие АлиЕкспрес. Стоить такой мотор-редуктор может примерно 8-15$ за штучку.

Колесо, мотор с редуктором и заготовки для крепления к осям

Рис. 5. Колесо, мотор с редуктором и заготовки для крепления к осям.

Для замены пластиковых осей я нашел идентичные по диаметру шестигранные стоечки из металла, в каждой из которых уже нарезана внутренняя резьба под винт на 3мм.

Если бы такие шестигранники не нашлись, то пришлось бы их изготавливать из металла самостоятельно или же придумывать другой надежный способ крепления оси движка к диску каждого из колес.

Для озвучивания действий будущего робота, воспроизведения голоса и музыки было принято решение прикрепить к платформе небольшие динамики, по 3 Ватта каждый.

Такие динамики можно встретить в импортных телевизорах и моделях компьютерных мониторов со встроенными акустическими системами.

Миниатюрные динамические головки Foster 3 Ватт, 8 Ом

Рис. 6. Миниатюрные динамические головки Foster 3 Ватт, 8 Ом.

Крепление мебельного колесика к платформе

В варианте найденного мною колесика крепление предполагается с помощью мощной гайки и выполняется напрямую к оси на которой держится весь корпус.

Сверлить сквозное отверстие в деревянной платформе и крепить эту ось напрямую к ней я посчитал плохой идеей по следующим причинам:

  1. Ось с прижимающей гайкой будет выступать с обратной стороны платформы (сверху) - будет занимать свободное пространство, а также выглядеть не красиво.
  2. Вся нагрузка будет сконцентрирована в одном месте, со временем выполненное таким образом соединение с деревянной поверхностью может расшататься и ослабнуть.
  3. За счет такого размещения высота от площади, на которой будет стоять колесико, и до низу платформы будет достаточно небольшой, сложно будет крепить движки (возможно придется вырезать пазы в платформе).

Чтобы избежать этих проблем, принял решение прикрепить ось колеса к металлической пластинке, которая будет крепиться к деревянной платформе несколькими винтами.

В свалке домашнего железа нашел металлическую крышку от графического процессора NVIDIA GEFORCE, она вполне может подойти для данной цели.

 Металлическая пластина для крепления колесика, вариант пластины - крышка от старого GPU NVIDIA

Рис. 7. Металлическая пластина для крепления колесика, вариант пластины - крышка от старого GPU NVIDIA.

Еще позже был найден металлический уголок с тремя отверстиями - я его разогнул, поверхность немного выровнял напильником и решил использовать для крепления. В данном случае нагрузка платформы будет распределяться уже на достаточно большую поверхность, если к ней прикрепить колесо через такую пластину.

Чтобы спрятать часть выступающей оси и гайку в дереве нужно было высверлить небольшое отверстие. Был намечен контур отверстия, центр которого совпадает с серединой деревянной пластины, внутри него высверлены два отверстия с небольшим запасом, чтобы отверстие не получилось сквозным. Остальная работа - ручными резцами по дереву.

Вырезание отверстия под гайку колесика в деревянной платформе будущего робота

Рис. 8. Вырезание отверстия под гайку колесика в деревянной платформе будущего робота.

Осталось только прикрутить металлическую пластину к дереву с помощью двух винтов-саморезов.

Колесико закреплено на деревянной платформе

Рис. 9. Колесико закреплено на деревянной платформе.

Крепление колес к двигателям

Крепления колеса к движку с помощью металлического шестигранного столбика

Рис. 10. Крепления колеса к движку с помощью металлического шестигранного столбика.

В игрушечной машинке колеса были закреплены на задней оси с помощью пластиковых шестигранных вставок. Мне удалось найти металлические шестигранники, которые после некоторой обработки напильником точно помещались в корпус колеса. Для фиксации к колесу с торца шестигранник будет прикручен одним винтом на 3мм.

Осталось надежно прикрепить шестигранник к оси электродвигателя. Для этого в одной из граней я просверлил отверстие сверлом на 2,5мм и нарезал в этом отверстии резьбу метчиком на 3мм.

Сверление отверстия и нарезка резьбы в шестиграннике для его фиксации на оси электродвигателя

Рис. 11. Сверление отверстия и нарезка резьбы в шестиграннике для его фиксации на оси электродвигателя.

Для фиксации к оси движка будет использован винт на 3мм с контра-гайкой. Эта гайка будет надежно фиксировать положение прижимающего винта после его закручивания и не давать ему при различных нагрузках на узел раскрутиться назад.

Движки самодельного робота с подготовленными и установленными узлами крепления для колес

Рис. 12. Движки самодельного робота с подготовленными и установленными узлами крепления для колес.

Крепление двигателей к платформе

В каждого из имеющихся у меня в наличии двигателей есть по два ушка, с помощью которых можно зафиксировать движок на какой-то поверхности. Корпуса электродвигателей изготовлены из пластика, поэтому нужно позаботиться о том чтобы эти ушка не обломались при большой нагрузке на ось.

Решил установить каждый из движков на резиновые шайбы, которые в свою очередь будут крепиться к металлическим планкам (на рисунке ниже показаны с тремя отверстиями).

Резиновые шайбы позволят добиться следующего:

  1. Немного обезопасят пластиковые части крепления движка о поломки при большой кратковременной нагрузке или ударе
  2. Будут поглощать вибрацию от движка, она не будет передаваться на деревянную платформу, будет меньше шума.

Через среднее отверстие будет проходить ось движка и поддерживать его. К боковым отверстиям, там где будут прижиматься резиновые шайбы, будут крепиться металлические угольники, которые будут шурупами прикручены к деревянной платформе.

Вспомогательные детали для крепления электродвигателя к шасси

Рис. 13. Вспомогательные детали для крепления электродвигателя к шасси.

Все показанные на рисунке металлические пластинки - это элементы крепления и поддержания кабелей, извлеченные из какого-то электронного устройства. Их можно было изготовить из листового металла или каких-то подходящих пластин, но мне провезло найти набор пластинок где ручная работа по обработке будет сведена к минимуму.

С помощью плоскогубцев закругленные пластинки были превращены в угольники.

Изготовление металлических уголков из пластин для прижимания кабелей

Рис. 14. Изготовление металлических уголков из пластин для прижимания кабелей.

Вот примерный план крепления всего узла (боковые пластины пока еще без отверстий и просто приставлены для наглядности):

Примерный план сборки и крепления узла для установки электродвигателя на платформу

Рис. 15. Примерный план сборки и крепления узла для установки электродвигателя на платформу.

Вид на план сборки узла крепления движка сзади

Рис. 16. Вид на план сборки узла крепления движка сзади.

В металлических уголках были просверлены отверстия, узел был еще раз собран до купы. С помощью карандаша или сверла можно приложить собранный узел к деревянной платформе и наметить отверстия для шурупов (клик для увеличения):

Наметка отверстий для шурупов, которыми будет крепиться узел с двигателем

Рис. 17. Наметка отверстий для шурупов, которыми будет крепиться узел с двигателем.

Показанные на фото шурупы достаточно не маленькие, их проблематично завинтить в дерево без  предварительно подготовленных отверстий. Для сверления этих отверстий было выбрано сверло диаметром 2,5мм и поверх него намотан кусочек изоленты, который поможет просверлить отверстие на достаточную глубину, а не насквозь.

Теперь осталось собрать весь узел воедино и прикрутить его вместе с двигателем шурупами к деревянному шасси будущего робота.

Электродвигатель смонтирован на шасси робота с помощью поддерживающего узла

Рис. 18. Электродвигатель смонтирован на шасси робота с помощью поддерживающего узла.

Итак, у нас есть две точки крепления и опоры движка, осталось закрепить еще заднюю часть двигателя - добавить третью точку опоры. Поскольку наибольшая нагрузка будет сконцентрирована на узле с осью движка, заднюю часть корпуса можно просто прижать к шасси металлическими пластинками.

Металлические пластинки для фиксации задних частей электродвигателя

Рис. 19. Металлические пластинки для фиксации задних частей электродвигателя.

Для поглощения вибраций и снижения шума от работы движка две точки крепления двигателя посажены на резиновые шайбы, поэтому третью точку крепления (соприкосновение задней части движка и шасси) также не помешает посадить на поролон или резину.

Установка поролоновых подкладок под заднюю часть движка

Рис. 20. Установка поролоновых подкладок под заднюю часть движка.

На заднюю часть корпуса движка, куда будет прижиматься металлическая пластина следует наклеить полоску изоляционной ленты. Все, движки закреплены!

Электродвигатели для колес установлены на шасси будущего самодельного робота

Рис. 21. Электродвигатели для колес установлены на шасси будущего самодельного робота.

Теперь осталось отрегулировать и надежно зафиксировать шестигранники на осях движков и можно прикручивать колеса.

Фиксируем металлические шестигранники для крепления колес на осях электродвигателей

Рис. 22. Фиксируем металлические шестигранники для крепления колес на осях электродвигателей.

Деревянная платформа с установленными движками и колесами для простого самодельного робота

Рис. 23. Деревянная платформа с установленными движками и колесами для простого самодельного робота.

Теперь можно испытать движки. подключив к ним источник питания. Я подключил оба движка параллельно, к ним подсоединил выход повышающего DC-DC преобразователя напряжения, который в свою очередь подключен к аккумуляторной батареи на +6В.

Преобразователь был настроен на получение на выходе напряжения +25В. Для измерения общего потребляемого тока в разрыв одной из линий от аккумулятора был включен мультиметр в режиме измерения тока (до 10А). Еще один мультиметр будет показывать напряжение на движках.

Проверка работоспособности движков, измерение потребляемого тока

Рис. 24. Проверка работоспособности движков, измерение потребляемого тока.

В холостом режиме оба движка вместе с DC-DC преобразователем напряжения (+6В в +25В) потребляют ток 40мА. При нагрузке на движки и почти остановленных осях общий потребляемый ток возрастает до 80мА, что равно 2Вт (P=U*I=25V*0.08A) потребляемой мощности. Это вовсе не много, и поскольку движки не очень мощные, возможно что позже придется даже немного поднять их напряжение питания.

Позже, вместо громоздкого и как оказалось не очень повороткого мебельного колеса было куплено новое колесико, которое имеет резиновую поверхность соприкосновения, меньший вес и симпатичный вид.

Новое колесико для роботизированной платформы

Рис. 25. Новое колесико для роботизированной платформы.

Для установки данного колесика нужно было сделать подкладку высотой примерно 15мм, а также желательно заделать ранее вырезанное отверстие (смотрите рисунок 8).

Чтобы заделать отверстие я смешал немного древесной стружки с клеем ПВА, заполнил это отверстие и оставил высыхать. Из деревянной доски толщиной примерно 15мм был изготовлен квадрат-подкладка, она была приклеена к платформе тем же клеем ПВА.

Чтобы все надежно зафиксировать на момент склеивания в квадратной планке было просверлено отверстие и закручен длинный винт-саморез. Это позволило надежно прижать и выровнять планочку не опасаясь того, что потом что-то может сместится.

Новое колесико крепится уже четырьмя винтами, осталось просверлить отверстия под мощные винты-саморезы.

Сверление отверстий немного меньшего диаметра чем винты для прикручивания колесика к подкладке

Рис. 26. Сверление отверстий немного меньшего диаметра чем винты для прикручивания колесика к подкладке.

Новое колесико для робота установлено и готово выполнять свои функции

Рис. 27. Новое колесико для робота установлено и готово выполнять свои функции.

Изготовление акустической системы 2х3Вт

Акустическую систему (АС) я решил разместить снизу платформы так, чтобы диффузоры динамиков были направлены в противоположные стороны.

После крепления движков к деревянному шасси и попытке примерить размещение динамиков по бокам шасси оказалось что сторона с двигателями немного опущена по сравнению с частью где закреплено колесико от мебели. Видать немного ошибся при измерениях.

Решил это исправить подготовив и приклеив под двигатели досочку высотой примерно 10мм (этого достаточно для выравнивания). Обрезал ее по размерам шасси и хорошенько подровнял с помощью прибитого к бруску куска наждачной шкурки. Потом с помощью клея ПВА приклеил эту доску к платформе.

Подготовленная и приклеенная к платформе досочка для получения горизонтального положения шасси

Рис. 28. Подготовленная и приклеенная к платформе досочка для получения горизонтального положения шасси.

Теперь при установке движков и колес платформа будет в горизонтальном положении, также приклеенная досочка будет служить вспомогательным опорным элементом для построения будущей акустической системы.

Примерное расположение динамиков под шасси робот

Рис. 29. Примерное расположение динамиков под шасси робота.

На листе бумаги в клеточку было размечено несколько вариантов конструкции коробок для размещения акустических динамиков. Конечный вариант был размечен на деревянной платформе с помощью линейки и простого карандаша (нажмите на рисунок для увеличения):

План акустической системы и разметка будущего корпуса на платформе из дерева

Рис. 30. План акустической системы и разметка будущего корпуса на платформе из дерева.

Обозначения на плане:

  • 1 - крышка акустической системы;
  • 2 - боковая сторона корпуса акустической системы, к которой будут прикреплены динамики;
  • 3, 4 и 5 - деревянный колышек для укрепления углов коробки и прикручивания верхней крышки.

Форма коробки спланирована таким образом, чтобы заднее колесико могло свободно вращаться вокруг своей оси на 360 градусов.

Боковые стороны, к которым будут прикручены динамические головки и все остальные стороны и перегородки коробки вырезаны из трехслойной фанеры. Верхняя крышка и крышки динамиков будут изготовлены из ДВП (древесно-волокнистая плита).

Вырезание элементов коробки для миниатюрной АС из фанеры и ДВП

Рис. 31. Вырезание элементов коробки для миниатюрной АС из фанеры и ДВП.

Примеряем внешние закрывающие крышки для динамиков

Рис. 32. Примеряем внешние закрывающие крышки (из ДВП) для динамиков.

Примеряем боковые стороны коробки, к которым будут крепиться динамики

Рис. 33. Примеряем боковые стороны коробки (из фанеры), к которым будут крепиться динамики.

Каждая из сторон коробки подписана буквами "R" и "L", чтобы не перепутать при планировании и последующей обработке. В подготовленных боковых сторонах из фанеры нужно разметить и вырезать отверстия размером под диффузор динамика. Это делается с помощью линейки, циркуля и лобзика.

Разметка контура для вырезания отверстий под диффузоры динамиков

Рис. 34. Разметка контура для вырезания отверстий под диффузоры динамиков.

Сверим по середине размеченной области отверстие сверлом 3-5мм, запускаем туда пилочку лобзика и вырезаем нужное отверстие по намеченному контуру. После данной операции можно приложить к каждой из подготовленных боковых сторон динамики и разметив просверлить по 4 отверстия для крепления.

Готовые боковые стороны коробки будущей акустической системы самодельного робота

Рис. 35. Готовые боковые стороны коробки будущей акустической системы самодельного робота.

Все остальные части коробки также вырезаются из фанеры с небольшим запасом (1-1.5мм) по всем сторонам, это нужно для окончательной подгонки размеров.

Точность углов я контролировал с помощью маленького угольника, если были расхождения то это исправлялось с помощью наждачной шкурки (здесь нам как раз пригодится предвиденный ранее запас). Также подобрал 8шт винтиков с гайками для крепления динамиков к боковым сторонам будущей коробки.

Вырезанные из фанеры стороны и перегородки для коробки, крепеж для динамиков

Рис. 36. Вырезанные из фанеры стороны и перегородки для коробки, крепеж для динамиков.

Колышки (3,4,5 на рисунке 30) изготовил из соснового дерева. Стороны из фанеры, которые смотрят "внутрь" коробки под углом нужно подготовить с помощью наждачной шкурки чтобы они плотно прилегали к другим частям коробки - сошлифовать торцы под необходимым углом.

Склеиваем части коробки акустической системы, устанавливаем колышки

Рис. 37. Склеиваем части коробки акустической системы, устанавливаем колышки.

Клея в данном случае я не жалел, наносил его много, он буквально заливал места соединений. Когда все немного подсохло - еще раз промазал все клеем, это придаст надежности коробке и герметизирует ее. При проигрывании звука на высокой громкости потом ничего не будет болтаться и трещать.

Когда конструкция окончательно подсохнет, необходимо с помощью наждачного бруска выровнять верхний уровень так, чтобы к нему плотно прилегал лист из фанеры.

Готовая коробка акустических систем для робота (без установленных верхней и боковых крышек)

Рис. 38. Готовая коробка акустических систем для робота (без установленных верхней и боковых крышек).

Теперь предстояла задача точно вырезать верхнюю крышку и разметить места для сверления отверстий под винты, которые будут прикручены к колышкам.

В данном случае можно все точно измерить и начертить разметку на кусочке из ДВП, но я пошел другим, более ленивым и в то же время достаточно надежным путем: кладем лист бумаги сверху на коробку акустической системы (как будто это крышка), с помощью простого карандаша прорисовываем контуры всех стенок и колышков. Чтобы в процессе бумага не "гуляла" по сторонам ее можно обогнуть на одну или несколько сторон.

Чертим трафарет с контуром для изготовления верхней крышки АС

Рис. 39. Чертим трафарет с контуром для изготовления верхней крышки АС.

Используя данный трафарет теперь можно не бояться что вырезанная крышка не подойдет по размерам или значениям углов, с его помощью также можно наметить отверстия для сверления в крышке и на колышках коробки.

Готовая крышка для акустической системы, винты-саморезы и сверло

Рис. 40. Готовая крышка для акустической системы, винты-саморезы и сверло.

Все готово к сборке - акустические колонки с крышкой, двигатели с колесами

Рис. 41. Все готово к сборке - акустические колонки с крышкой, двигатели с колесами.

Осталось прикрутить электродвигатели с помощью ранее изготовленных узлов для крепления (клик - увеличение рисунка):

Готовая платформа для самодельного робота со встроенными акустическими системами

Рис. 42. Готовая платформа для самодельного робота со встроенными акустическими системами.

Боковые крышки для динамиков я сначала изготовил в варианте со сверлением отверстий для прохождения звука, а потом протестировав как все это звучит решил переделать по другому - с высверливанием отверстия по контуру диффузора (как в боковой стороне коробки).

В первом варианте для наружной обтяжки крышек применялся кусок достаточно прочного и плотного полотна, а во втором варианте для этой цели я использовал женские чулки черного цвета с текстурой. )

Расскажу подробно о втором варианте, а также приведу фото крышек предыдущего варианта.

С каждой стороны коробки акустических систем я наложил по куску бумаги в клеточку и обрисовал контуры будущих крышек, а также внутренние отверстия для вырезания и сверления.

В середине овальных окружностей для вырезки сделал отверстия для пропускания в них пилочки лобзика, а также наметил точками места для сверления отверстий под шурупы.

Разметка линий и отверстий для резки ДВП по трафаретам крышек для АС

Рис. 43. Разметка линий и отверстий для резки ДВП по трафаретам крышек для АС.

Вырезание отверстий отверстий в крышках не составило большого труда и заняло до десяти минут, ДВП - материал мягкий и отлично поддается обработке.

Отверстия в панелях из ДВП вырезаны и просверлены

Рис. 44. Отверстия в панелях из ДВП вырезаны и просверлены.

По краям вырезанных отверстий прошелся плоским и круглым напильниками, все подровнял и убрал шелуху после резки. Ткань чулков очень хорошо тянется и при растяжке она достаточно тонкая, поэтому было принято решение обтягивать крышки этой тканью в два слоя.

Примерка ткани для обтягивания фронтальных крышек акустических систем

Рис. 45. Примерка ткани для обтягивания фронтальных крышек акустических систем.

С обратной стороны по всему периметру панели был нанесен плавкий силикон. Термо-пистолета для этой цели у меня не было, поэтому воспользовался обычным паяльником, порезав силикон на мелкие и удобные к нанесению кусочки.

Нанесение термо-силикона по периметру с обратной стороны крышки для АС

Рис. 46. Нанесение термо-силикона по периметру с обратной стороны крышки для АС.

Пришло время натягнуть на крышку ткань и приступить к ее фиксации. Ткань нужно нагреть до такой степени, чтобы силикон под ней расплавился. После этого буквально сразу нужно аккуратно прижать ткань в местах нагревания и дать ей остыть - получится надежное соединение.

Поскольку нагрев я выполнял паяльником, температура которого достаточно высока, то чтобы не поплавить саму ткань пришлось выполнять нагрев через кусочек картона.

Картон взят от упаковки с под конфет - одна сторона у него глянцевая, как раз ее и нужно прижимать к ткани, это позволит легко отклеить и убрать картон после нагревания для дальнейшего ручного прижимания и корректировки склейки.

Приклеивание ткани к крышке из ДВП

Рис. 47. Приклеивание ткани к крышке из ДВП.

Прижимание и корректировку расположения ткани на расплавленном силиконе удобнее всего выполнять пальцами. Для того чтобы их не обжечь и выступающий из-под ткани клей не прилипал к коже, можно обмотать пальцы кусочком целлофана средней толщины.

Подогнав обтяжку и узор на ткани как нужно я не спеша и аккуратно проклеил все стороны крышки. Здесь нужно быть очень аккуратным, поскольку перегрев картона паяльником может повредить ткань.

Остаток ткани был удален с помощью ножниц и скальпеля (можно воспользоваться также лезвием для бритья).

Обрезка остатков ненужного материала по периметру крышки

Рис. 48. Обрезка остатков ненужного материала по периметру крышки.

Крышки для акустических систем самодельного робота готовы

Рис. 49. Крышки для акустических систем самодельного робота готовы!

Ниже показаны новая и старые крышки, которые были мною изготовлены для акустической системы робота Zer0. Как видите, в старом варианте материал достаточно плотный, отверстий высверлено не много и это значительно влияло на качество и громкость воспроизведения звука.

Новая и старые крышки для акустических систем робота

Рис. 50. Новая и старые крышки для акустических систем робота.

Для того чтобы закрутить винты в отверстия крепления новых крышек и не повредить (не позатягивать и не порвать) ткань, пришлось предварительно воспользоваться большой иглой (можно также применить шило).

Теперь осталось изготовить и установить усилитель звуковой частоты для динамиков и можно прикручивать верхнюю крышку, а также устанавливать боковые крышки.

Несколько слов об усилителе НЧ на микросхеме PAM8403

Прежде чем рассказать о TDA1517, поделюсь опытом использования еще одной достаточно популярной микросхемы УНЧ. На самом деле сперва, в качестве усилителя мощности низкой частоты (УНЧ) для своего робота, я планировал использовать миниатюрный модуль на микросхеме PAM8403, который представляет из себя двухканальный УНЧ класса D с выходной мощностью 2х3Ватт (на 4 Ом, при THD=10%) при питании +5В.

Миниатюрный модуль УНЧ на микросхеме PAM8403

Рис. 51. Миниатюрный модуль УНЧ на микросхеме PAM8403.

Данный модуль подкупал своими маленькими размерами, питанием от +5В и высокими заявленными характеристиками в даташите. Динамики в акустической системе робота установлены с сопротивлениями обмоток - 8 Ом, получается что данный модуль позволит получить примерно 1,5 Вт выходной мощности на каждый из двух каналов, этого должно хватить для большинства целей.

Купив такой модуль я принялся выполнять тесты на слух. Первым делом подключил к нему установленные в роботе динамики, подал сигнал с выхода Raspberry Pi и начал слушать различные музыкальные композиции с которыми я уже давно знаком и знаю как они должны звучать.

Уже на среднем уровне громкости звук мне очень не нравился - слышался "песок", "металлическая" составляющая там где ее быть не должно и масса других звуковых искажений.

Возможно причина кроется не в УНЧ, а в самом сигнале с raspberry Pi? - Подключил к малинке качественные дорогие наушники, включил те же композиции - некоторые технические шумы от работы платы (процессора и других компонентов) все же слышны, но звучит достаточно качественно и нет тех проблем, которые были обозначены выше.

Решил подать звуковой сигнал на усилитель с другого проверенного источника сигнала - со смартфона. Результат - на выходе тот же самый плохой звук со всеми указанными неприятными составляющими.

В даташите на микросхему PAM8403 говорят про высокое качество и КПД, но качества я так и не смог услышать, хотя мощности получалось извлечь достаточно не мало из этой малютки. Возможно мне не повезло с микросхемой (подделка, брак) или же данный усилитель просто не для моего чувствительного и требовательного слуха.

Не поднялась у меня рука установить этот модуль в конструкцию робота с акустическими системами, начал искать другие варианты усилителей с низковольтным однополярным питанием.

Усилитель мощности на микросхеме TDA1517

В результате неудачных экспериментов с PAM8403 я принял решение в рамках данной конструкции больше не связываться с усилителями класса D - буду искать подходящую микросхему для построения проверенного классического УНЧ.

Найти что-то подходящее чтобы выжать примерно 2-3 Ватта при сопротивлении динамиков 8 Ом из питания +5В очень сложно. Решил обратить внимание на схемы с питанием +12В.

В данном случае усилитель можно будет питать напрямую от аккумулятора на 12В, минуя понижающие преобразователи, что будет плюсом к стабильности работы остальных схем которые питаются от +5В. Правда нужно будет продумать еще как отключать схему усилителя чтобы он не потреблял лишний ток в режиме покоя (без входного сигнала).

Значения напряжений +5В и +12В часто можно встретить в компьютерной технике, я вспомнил про старые звуковые карты на которых были установлены различные интегральные микросхемы УНЧ для подключения наушников и акустических систем напрямую к выходе звуковой карте.

У меня как раз было в наличии несколько таких плат - в большинстве из них установлены микросхемы TEA2025 (2х2Вт), а в более дорогих именитых производителей, например таких как Creative, стоят уже микросхемы более качественные и мощные - TDA1517 (2х6Вт) производства фирмы Philips.

Микросхемы TDA1517 - высококачественные интегральные усилители мощности звука

Рис. 52. Микросхемы TDA1517 - интегральные усилители мощности звука.

Вариант усилителя на TDA1517 мне показался наиболее интересным. Основные возможности и технические характеристики микросхемы TDA1517 из даташита:

  • Требует минимум внешних компонентов;
  • Большая выходная мощность - 2х6 Вт (4 Ома, THD=10%), 2х5Вт (4 Ома, THD=0,5%);
  • Большой диапазон питающих напряжений (6-18 Вольт);
  • Фиксированный уровень усиления;
  • Управление режимами работы (MUTE/StandBy);
  • Защита от короткого замыкания выхода на землю и на линию питания;
  • Температурная защита;
  • Защита от переполюсовки питания;
  • Защита от электростатических разрядов;
  • Отсутствие щелчка при включении/выключении питания;
  • Совместима с TDA1519 (кроме уровня усиления).

У этой микросхемы достаточно впечатляющий список возможностей. При динамиках на 8 Ом можно будет выжать до 3 Вт выходной мощности при питании +12 Вольт!

Кстати, существует почти полный аналог данной микросхемы - это TDA1519, в ней уже можно установить требуемый коэффициент усиления.

Принципиальная электрическая схема типового подключения микросхемы TDA1517

Рис. 53. Принципиальная электрическая схема типового подключения микросхемы TDA1517 (из даташита).

Для управления режимом работы у микросхемы-усилителя есть отдельный специальный вывод под номером 8. Подавая на этот вывод напряжения различных уровней мы заставим ее работать в нужном нам режиме:

  • ON - включено;
  • MUTE - тишина (микросхема работает, отключен входной сигнал);
  • StandBY - ждущий режим (микросхема в режиме энергосбережения, выходные каскады отключены).

 Режимы работы микросхемы TDA1517 в зависимости о напряжения на выводе номер 8

Рис. 54. Режимы работы микросхемы TDA1517 в зависимости о напряжения на выводе номер 8.

Чтобы перевести микросхему в рабочий режим достаточно подать на вывод 8 напряжение от +8,5В до +18В.

Мне не терпелось испытать эту микросхему в деле, и поскольку в местных магазинах и на рынке этот чип найти не удалось, поэтому я решил использовать микросхему установленную в одну из старых звуковых плат под ISA-слот.

Прежде чем выпаять микросхему решил протестировать ее с собранной акустической системой. Определил линию питания, отпаял от нее дроссель и вывел проводники для подачи напряжения +12В, подключил выходы к динамикам, ко входу микросхемы через переменный резистор подключил выход смартфона.

Тестирование усилителя мощности звуковой частоты, который установлен на старой звуковой карте

Рис. 55. Тестирование усилителя мощности звуковой частоты, который установлен на старой звуковой карте.

Результат мне очень понравился - звук чистый и насыщенный, минимум искажений, выходной мощности будет вполне достаточно. Решил выпаять микросхему и собрать УНЧ на ее основе, но через несколько секунд после этой идеи в голову пришел другой вариант - выпилить кусочек печатной платы с усилителем, для экономии времени.

Для работы микросхемы нужно всего лишь несколько внешних конденсаторов, которые можно подключить даже навесным монтажом, но вот выпаять микросхему из уже существующей платы будет не просто.

Дело в том что у варианта чипа в корпусе DIP с 18-ю выводами, половина из них используются для отвода тепла и должны быть запаяны в печатную плату к большой площадке с печатными дорожками. В вырезанном кусочке печатной платы все это уже сделано и ничего выпаивать не придется (выпаять 9 ножек микросхемы запаянных на одну большую площадку достаточно не просто).

Вырезанная печатная плата с усилителем на микросхеме TDA1517

Рис. 56. Вырезанная печатная плата с усилителем на микросхеме TDA1517.

Нужно было как-то придумать как с вывода GPIO малинки можно будет управлять режимом StandBy микросхемы TDA1517. На выводе GPIO может быть напряжение максимум +3,3 Вольта, а на вывод 8 микросхемы-УНЧ нужно подать минимум +8,5 Вольта.

Для выхода из сложившейся ситуации можно применить электронный ключ на транзисторе с электромагнитным реле, но хочется как-то избежать звука щелчка реле и сэкономить 40мА тока, который оно будет потреблять. В данном случае все можно сделать еще проще - использовать оптрон!

Оптрон - это пара из светоизлучающего (светодиод) и световоспринимающего (фотодиод или фототранзистор) элементов. Данный компонент можно купить в магазине или же выпаять, например из какого-то сетевого импульсного источника питания (там он используется для опто-развязки выходных цепей со схемой которая питается от сети переменного напряжения).

Светодиод оптрона через гасящий резистор подключен к выводам GND и одному из GPIO. Один из выводов фотодиода оптрона подключен к выводу питания +12В, а второй - через резистор на 1кОм к ножке 8 микросхемы TDA1517.

Таким образом, появление напряжения +3,3В на выводе GPIO засветит внутриоптронный светодиод, который своим свечением откроет проход напряжению +12В к выводу 8 микросхемы TDA1517 - усилитель включится! Для отключения питания УНЧ - устанавливаем на выводе GPIO логический ноль (0В).

Тестирование вырезанной печатной платы с усилителем НЧ на микросхеме TDA1517

Рис. 57. Тестирование вырезанной печатной платы с усилителем НЧ на микросхеме TDA1517. (клик для увеличения)

Ток потребления микросхемы в режиме Stand-By - менее 100 наноАмпер! Если микросхема включена но сигнал отсутствует, то ее выходные каскады потребляют так называемый "ток покоя" - 40мА. Вот вам и экономия. )

Оптрон и два резистора можно прикрепить навесным монтажом возле печатной платы усилителя, но поскольку они будут установлены внутри АС, где будут присутствовать звуковые вибрации низкой частоты и это может расшатать соединения, принял решение установить эти компоненты на небольшую платку.

С рисованием и травлением платы не стал заморачиваться - прорезал канавки со стороны медной фольги с помощью самодельного резака, изготовленного из кусочка полотна от ножовки по металлу.

 Подготовка печатной платы для монтажа оптрона и резисторов с помощью резака

Рис. 58. Подготовка печатной платы для монтажа оптрона и резисторов с помощью резака.

Залудил контактные площадки, припаял детали, подпаял проводники - готово! Вот что получилось (рисунок кликабелен):

Установка платы усилителя НЧ на микросхеме TDA1517 и платки с оптроном в корпус акустической системы

Рис. 59. Установка платы усилителя НЧ на микросхеме TDA1517 и платки с оптроном в корпус акустической системы.

Для подачи сигнала на вход усилителя использован экранированный двухжильный кабель. Такой кабель можно взять например из старого компьютера в котором установлен CD-привод, когда аудио-выход дисковода подключался к звуковой карте для прямого воспроизведения аудио-CD. Также можно купить кусок микрофонного кабеля с двумя жилками внутри (для левого и правого каналов, а внешняя оплетка - земля, общий вывод).

Проводники питания и для подачи сигнала были выведены через отверстие в задней стенке корпуса акустической системы (со стороны двигателей).

Акустические системы робота с установленными крышками

Рис. 60. Акустические системы робота с установленными крышками.

В завершение

Платформа готова! Теперь можно приступить к планировке размещаемых на ней электронных и механических компонентов.

 Готовая платформа с акустическими системами для простого самодельного робота Zer0

Рис. 61. Готовая платформа с акустическими системами для простого самодельного робота Zer0.

Данная конструкция была изготовлена из материалов в наличии. Если бы у меня были другие движки, колеса, динамики - конструкция возможно была бы немного другой.

Очень удобен и экономичен способ построения системы перемещения робота с использованием трех колес, особенно для перемещения в закрытых помещениях.

В следующей статье будет рассказано о креплении аккумулятора, о том как изготовить панель управления питанием робота, приведу две схемы простых контроллеров питания для включения и выключения робота, собранного на основе мини-компьютера Raspberry Pi.

Полезные ресурсы:

  • Даташит на микросхему TDA1517 Даташит на микросхему TDA1517
Комментарии к публикации (2):
professor #1professor
09 Декабрь 2018 14:29

Было интересно. Спасибо за статью.

0
ph0en1x #2ph0en1x
09 Декабрь 2018 17:56

Пожалуйста! Продолжение следует... )

0