Вопрос из анонса этой статьи однажды возник у моего сына, который только-только начинает разбираться во всяких моделях с электрикой, и как это обычно водится, сразу посыпались каверзные вопросы о качестве современных конструкторов.

Если вы уже в курсе, что из себя представляют современные LEGO и совместимые с ними конструкторы с электрикой, то можете промотать статью немного ниже, а для остальных, кто, как и я, последний раз листал еще бумажные LEGO-каталоги два или три десятка лет назад, будет короткая история электрики и обзор того, что в итоге сейчас продается.

Эпоха до 2000-х

Электрика в LEGO конструкторах присутствовала почти с самого начала – в интернете можно найти упоминания о таких наборах, выпущенных еще в 1960-е и 1970-е. Естественно, никакого радиоуправления тогда не было, и даже в 1990-х моторы все еще были соединены с блоком управления проводами (Набор 8720). В конце 1990-х появились первые радиоуправляемые модели (серия LEGO Racers Radio Control), но они представляли собой, по сути, готовую платформу с колесами, на которую можно было просто сверху прикрепить какие-то кубики.

Отдельно стоит упомянуть о серии LEGO Education, которая с тех пор сменила множество названий (RCX, Mindstorms, NXT, Spike Prime), а теперь известна под названием WEDO 2.0 и скопирована другими производителями в виде более дешевых аналогов. Но эта серия скорее про робототехнику, разнообразные датчики и сенсоры, а не про мощные моторы и машинки.

LEGO Power Functions (2007-2018)

В 2007 году LEGO выпустила ту систему электрики, которая теперь знакома многим любителям конструкторов.

В качестве источника питания изначально был громоздкий блок под 6 АА-батареек (8881), что давало на выходе 9В, либо 7.4В при использовании NiMh AA-аккумуляторов. Чуть позже выпустили более компактный блок (8800) в двух вариантах - на 6 ААА-батареек либо со встроенным LiPo аккумулятором на 7.4В.

За управление отвечала связка из ИК пульта (8885) и ИК приемника (8884), причем один приемник мог управлять всего лишь парой подключенных к нему моторов. То есть, чтобы управлять сразу четырьмя моторами, нужно было использовать уже пару приемников и пультов, настроенных на разные каналы.

Моторы в 2008 году были доступны только в виде M и XL вариантов, а всем знакомые L и Servo моторы (88003 и 88004) появились лишь в 2012.

Моторы подключались с помощью 4-контактного LEGO-разъема, при этом была возможность управлять как скоростью вращения мотора, так и углом поворота сервомотора через аналоговый PWM сигнал.

LEGO Powered UP или Control+ (с 2018)

Начиная с 2018 года, LEGO выпускает обновленную серию электрики – сначала получившую название Powered UP, а позднее Control+. Это намного более продвинутая система, объединившая не только моторы из Technic серии, но и весь набор современных датчиков и сенсоров из серии Education. Ключевые особенности новой системы:

• новый 6-контактный разъем, который стал намного компактнее предшественника

• между блоком и подключенными к нему устройствами полноценный UART-интерфейс для управления (некоторые материалы по реверс-инжинирингу этого протокола - ссылка 1, ссылка 2 и ссылка 3)

• no-code среда для программирования

• как следствие, из-за возросшей сложности (или универсальности) этой системы, управление возможно только через приложение на смартфоне (которое к тому же недоступно в России без смены региона в Play Market / AppStore)

(на самом деле единственный пульт для Powered UP все же есть, однако он способен управлять исключительно поездами из этой серии, но не машинками)

С появлением Powered UP, выпуск старой серии Power Functions был прекращен.

Mould King и безымянные клоны

Естественно, конструкторы LEGO давно копируются многочисленными китайскими производителями, то же самое должно было рано или поздно произойти и с электрикой.

Одним из наиболее известных производителей LEGO-совместимых конструкторов является Mould King. MK начинал с пиратского, невысокого по качеству клонирования оригинальных наборов LEGO, что в итоге серьезно подпортило репутацию всех подобных производителей.

Но в плане радиоуправления, на мой взгляд, МК очень удачно переосмыслил то, что было в LEGO и примерно в 2021 году выпустил свой аналог системы Power Functions.

Что получилось у Mould King:

• вместо ИК-связи уже используется 2.4ГГц радиоканал

• приемник и аккумулятор объединены в общий блок

• есть блоки на 4 и 6 каналов

• для управления в комплекте сразу присутствует пульт с кнопками (причем есть варианты даже с джойстиками)

• также возможно и управление через приложение на смартфоне

• варианты моторов аналогичны тем, которые выпускались LEGO в серии PowerFunctions

Помимо Mould King похожие блоки выпускаются многочисленными безымянными производителями, и в итоге почти вся LEGO-совместимая электрика, которая сейчас продается – это именно такие блоки управления и моторы.

И все было бы хорошо, однако у этих клонов есть одно, но существенное ограничение: сервомоторы по какой-то причине не получилось скопировать полностью, и в итоге клоны могут поворачивать руль машинки только в крайние положения влево и вправо (даже при использовании пультов с джойстиками), тогда как оригинальные LEGO-моторы позволяли крутить руль более плавно.

Поэтому, даже если удается найти модель с парой мощных моторов, все удовольствие от управления полностью теряется из-за неполноценного руля.

Hi-end

Для полноты картины следует упомянуть, что еще существуют блоки управления BuWizz, которые, в принципе, позволяют сделать одновременно и мощное, и точное управление для машинок, но сейчас в России такие блоки не купить, да и цена у них даже выше, чем у оригинальных LEGO-блоков. Поэтому этот вариант я не считаю актуальным на текущий момент.

Итак, какие конструкторы-машинки сейчас все-таки доступны

Глобально, вариантов всего два.

1. Оригинальные наборы LEGO с моторами Powered UP

Достоинства:

• отличное качество

Недостатки:

• высокая стоимость наборов

• машинки не слишком шустрые: чувствуется, что электрика ограничена по мощности специально, чтобы конструктор оставался достаточно безопасной и долговечной детской игрушкой

• управление только через смартфон: оригинальное приложение недоступно в России, да и покупать ребенку конструктор вы собирались, скорее всего, намного раньше, чем смартфон

2. LEGO-совместимые аналоги

Достоинства:

• Огромное разнообразие наборов

• Есть производители с достойным качеством деталей

• Управление электрикой при помощи пульта, без необходимости использования смартфона

Недостатки:

• Отсутствие полноценного пропорционального рулевого управления

Чем здесь поможет Arduino?

В общем, если цель заключается в том, чтобы серьезно погонять быстрые машинки на улице – то лучше сразу начинать смотреть в сторону качественных RC моделей с бесщёточными (brushless) двигателями.

LEGO модели в любом случае будут ограничены по мощности теми пределами, на которые рассчитаны пластиковые детали. Но на мой взгляд, LEGO моделирование имеет и свои плюсы: тут больше пространства для реализации своих конструкторских идей, в отличие от RC моделей, где обычно все компоненты (шасси, привод, система управления) уже готовые, остается только собрать их вместе и прицепить кузов (который обычно тоже готовый). А в LEGO из плюс-минус одних и тех же деталей можно собрать совершенно разные типы подвесок, коробок передач, не говоря уже о каких-то дополнительных функциях типа раскладывающейся крыши для машины или работающего грузового крана.

Остается решить вопрос с качественным управлением. И если в случае использования оригинальной LEGO-электрики вариантов апгрейда и увеличения мощности, в общем-то, нет (за исключением совсем уж недоступного BuWizz), то при использовании неоригинальной электрики такие возможности открываются в полной мере, а Arduino выглядит как логичное продолжение самого конструктора, только уже в электронном виде. Даже если это слишком рано непосредственно для ребенка, вы можете сделать все самостоятельно, предоставив просто готовое решение, которое, возможно, впоследствии его заинтересует. Но как минимум – качество игрушки просто подрастет, что тоже неплохо.

Путь к решению вопроса у меня занял почти год. За это время я снова начал собирать LEGO-машинки (для сына конечно же, хотя если быть честным, то и для себя тоже...) и перепробовал самые разные варианты управления. Некоторые из них были достаточно суровые, хотя и функциональные – как например DIY-плата под названием GeekShield. Другие же способы управления оказались более простыми, и пара таких методов как раз и будет описана далее.

Компонент №1. GeekServo

Информации о том, кто первый придумал такую замечательную вещь, мне найти не удалось. Скорее всего, это были как обычно какие-то энтузиасты, но в итоге такие моторчики теперь продаются в многочисленных магазинах на AliExpress.

GeekServo — это сервомотор из мира RC моделей, упакованный в LEGO-совместимый корпус. Разъем также стандартный для RC – 3-pin, он же JR. Питание 5В, в итоге мотор хоть и выглядит как LEGO, но ни к каким стандартным блокам управления его не подключить, поэтому нужно будет сделать особенный.

Компонент №2. M5Stack Atom

Это как раз контроллер Arduino, который и будет отвечать за управление. Вообще, M5Stack выпускает огромн��е количество контроллеров на основе ESP32, разнообразных модулей управления периферией и датчиков для построения систем типа умного дома и прочих IoT. В нашем же случае понадобятся:

• M5Stack Atom Lite – небольшой по размеру контроллер на основе ESP32-PICO-D4. Это не самый новый чип Espressif, но зато в нем есть поддержка Bluetooth Classic. Именно он нам понадобится, чтобы в качестве пульта управления использовать обычный и удобный геймпад от PlayStation или Xbox

• Atomic HDriver Base – «база» для контроллера Atom. Особенность баз M5Stack в том, что в них сразу предусмотрено крепление для LEGO, позволяющее очень эстетично и без изоленты встроить Arduino-контроллер в машинку. В HDriver также присутствует драйвер мотора DRV8876 (о его использовании чуть ниже будет отдельный раздел) и, главное, регулятор напряжения на 5В – он необходим для питания Atom Lite и GeekServo

• Мелочевка в виде Grove-кабеля и адаптера под 3-pin сервомотор для подключения GeekServo к M5Stack контроллеру

Компонент №3. Электрика Mould King

Да, электрика от Mould King все равно понадобится.

Блок MK 4.0 или 6.0 будет использоваться в качестве готового и вполне безопасного аккумулятора на 7.4В, а M5Stack будет подключен к нему через обычный Power Functions кабель. К счастью, паять провода не придется – у M5Stack есть винтовые клеммы. Впрочем, для более надежного контакта и для защиты провода Power Functions я все же рекомендую использовать кабельные наконечники размером 0.25мм².

Основные моторы, которые будут двигать машинку пока оставим подключенными к Mould King, но управлять будем не через пульт, а вместо этого имитируем на Arduino то самое приложение для смартфона, то есть ESP32 будет отправлять команды для MK через Bluetooth.

Итоговая схема

Исходя из описания используемых компонентов, вы, вероятно, и так догадались как все работает:

1. Подключаем к Arduino питание от Mould King

2. Подключаем геймпад к Arduino

3. Arduino управляет Mould King-ом через Bluetooth

4. GeekServo подключаем к Arduino

5. Загружаем на Arduino скетч, в котор��м задается логика управления – какие стики и триггеры крутят моторы через Mould King или двигают GeekServo

На GitHub уже лежит моя готовая библиотека M5Bluepad для создания в Arduino IDE таких скетчей управления. Там же есть чуть более подробная инструкция в виде wiki.

Что дает такой подход к управлению?

• Во-первых, теперь можно очень точно управлять машинкой с помощью GeekServo, используя привычный геймпад. Заменить стандартный сервомотор на GeekServo можно почти в любом готовом наборе

• Во-вторых, можно реализовать такое управление, которое для движения машинки вперед будет включать, например, сразу 4 или даже 6 движков, подключенных к разным портам МК, что даст заметный прирост в мощности (стандартно у МК можно либо объединить не более 2х портов управления, либо подключить несколько моторов к одному порту, что также ограничит доступную мощность). Конечно, внутри блоков МК обычно очень посредственные аккумуляторы небольшой емкости и не способные выдавать большую сила тока, поэтому не стоит рассчитывать на какую-то выдающуюся тягу или скорость моторов, но тем не менее, вы заметите улучшение характеристик по сравнению с базовым управлением

• Далее можно развивать свою систему управления и добавлять к Arduino новые расширения, у того же M5Stack огромное количество датчиков, почти все они имеют крепление для LEGO – можно, например, добавить IMU и сделать свою систему курсовой устойчивости или систему автоматического торможения при срабатывании ToF-датчика расстояния

Если нужно еще больше мощности

Упомянутый выше Atomic HDriver Base можно использовать по прямому назначению и подключить LEGO-мотор непосредственно к этой базе. Драйвер двигателя DRV8876 позволяет использовать питание до 24В, то есть можно вообще отказаться от блока Mould King и подключить свой, высокотоковый LiPo аккумулятор большой емкости даже из 3 ячеек - качественные LEGO-совместимые моторы обычно способны работать при напряжении до 12В, при этом их мощность значительно повышается.

Тут, однако, нужно учитывать специфику Atomic HDriver Base:

• Оригинальный DRV8876 способен выдерживать длительную нагрузку и при более высоких значениях силы тока, но на плате от M5Stack эти величины ограничены значениями 1.5А при длительной нагрузке и 2А в пике (например, в момент старта тяжелой машинки с места, что близко по смыслу к блокировке мотора). Вот тут есть собранные мной данные по электрическим характеристикам LEGO-совместимых моторов (сама методика испытаний – в этом видео). Если в двух словах – то при апгрейде питания с 2S до 3S сила тока значительно увеличивается, и это нужно учитывать

• Шина 5В вообще ограничена 0.5А через самовосстанавливающийся предохранитель внутри Atomic HDriver Base (хотя встроенный регулятор напряжения вполне потянул бы в несколько раз больше). Этого, конечно, достаточно как для питания самого Atom, так и для одного GeekServo, но если вы собирались подключить что-то помощнее (вроде Unit 8Servos) через grove-порт, то это уже не очень хорошая идея, вероятны неожиданные reset по питанию

Отдельно надо сказать, что использование LiPo аккумуляторов – это уже намного менее детский вариант по сравнению с блоками Mould King:

• и механическая, и электрическая защита такого аккумулятора будет существенно слабее, чем у блока MK

• для внешнего аккумулятора понадобится использовать отдельное зарядное устройство

• через Arduino будет возможность следить за напряжением аккумулятора и не включать моторы при слишком низком уровне заряда, но Atomic HDriver Base не предусматривает никакого управления цепью питания и поэтому полностью отключить аккумулятор не получится. И даже deep sleep позволит только снизить потребление самого чипа ESP32, а все компоненты внутри Atomic HDriver Base останутся включенными. В режиме deep sleep такая сборка продолжает потреблять порядка 15мА, что очень много и уничтожит любой аккумулятор буквально за несколько дней. Так что придется каждый раз физически отключать аккумулятор

Вместо заключения

Понятно, что подобный тюнинг понравится далеко не всем фанатам LEGO, но, на мой взгляд, главное преимущество таких способов апгрейда электрики в том, что они достаточно просты в реализации: все компоненты можно купить в готовом виде, их стоимость невелика, а итоговый результат вполне ощутим на практике и будет понятен даже ребенку.