Ошибки в заголовке нет: я ведь пришел на Хабр во времена Гиктаймс, не мысля себя ничем большим, кроме как техногиком. Впрочем, и это я себе комплимент сделал, простим меня за нескромность. И пусть GT уже давно нет, но я‑то есть. Что до лунохода, то речь о моей личной версии легендарной игрушки «Модель лунохода программируемая самоходная „Электроника“, он же в девичестве Big Trak, на который у меня ушло, чтобы не соврать, около десяти лет. Эй, подождите, сколько‑сколько?»

Ага, здесь тоже без ошибок. На что обычному человеку достаточно выходных, я в своем безалаберном режиме совершал почти пятую часть жизни. За это время я успел четыре раза переехать, классические Arduino почти исчезли с горизонта, ESP8266 из экзотики превратились в ESP32 на каждом углу, вместо инфракрасных и ультразвуковых датчиков везде втыкают лидары, а код пишет ИИ. И все же я не оставлял надежд закончить начатое — и закончил.

Теперь по порядку, как же так получилось. Но сначала немного об авторе. Я не инженер, не конструктор, не монтер, не дизайнер, не программист, не художник. Полагаю, после прочтения всего, что воспоследует, многие даже выдохнут с облегчением, узнав что моя работа никак не была связана ни с одной из этих областей.

История

Самые трогательные вещи, как мы помним, начинаются со слов «когда я был маленьким» — и не зависят от возраста вообще. Так вот, когда я был маленьким, у кого‑то из знакомых появился исключительно редкий и настолько же дорогой луноход «Электроника». Я не помню ни имени счастливчика, ни обстоятельств, ни года, но помню дикий восторг от того, что машина ездила по заданной программе.

Понятное дело, что такую игрушку я не мог ни просить, ни, тем более, требовать. Только мечтать и вспоминать — чем я не переставал заниматься и когда закончил институт, и когда начал работать.

И вот внезапно на дворе 2015 год, я уже понял, что такое Arduino, только что купил 3D‑принтер и мечта о собственном программируемом луноходе превратилась в намерение. 

Идея была так же проста и незамысловата, как вареная картофелина. Нужно лишь нарисовать и напечатать корпус, поставить внутрь моторчики, датчики и Arduino, написать программу — и готово. Короче, рисуй овал, потом дорисуй сову и не задавай лишних вопросов. 

За основу корпуса и трансмиссии я, конечно же, взял оригинальный Big Trak, который потихоньку начал переносить в 3D. Получалось не очень, но я не терял оптимизма и параллельно заказал на Aliexpress электронику и прочее — Arduino Nano, драйвер на пару моторов, ИК‑датчики препятствия, кучку ИК‑светодиодов и фотодиодов, светодиодную ленту на WS2812B, пару мембранных клавиатур, несколько моторчиков, набор колес, проводочки и прочую мелочевку — резисторы, конденсаторы. 

Примерно в то же время я начал писать управляющую программу, первую версию которой, как ни смешно, я закончил и протестировал в симуляторе примерно 9 лет назад, если верить сохранившейся дате в Autodesk 123D Circuits (сейчас это часть Autodesk Tinkercad). Смешно — потому что к тому моменту корпус даже близко не был готов.

Здесь надо рассказать о моменте, который сильно поразил: за все время, пока делал машину, лишь однажды (допускаю, что плохо искал) наткнулся на настоящую попытку восстановления оригинального лунохода «Электроника», хотя интернет прямо полнится историями «восстановления» убитых экземпляров. Вот только умельцы обычно ограничивались тем, что выбрасывали старую начинку и вкрячивали на ее место сначала Arduino, а позже — какую‑нибудь из ESP или даже Raspberry и делали дистанционное управление с телефона. 

И я сразу решил, что это не мой путь. Мой луноход должен был быть максимально похож на оригинальный. С рабочей клавиатурой. С программой хода. Да, с Arduino, но и со своими плюшками. Какими? На две я уже намекнул. Первая — датчики препятствия. Не только в бампере, но и по бокам. Также я планировал добавить подсветку: фары, габариты, ходовые огни и, если получится, поворотники, привет WS2812B.

Еще — генерация случайного маршрута, если лень выдумывать. Плюс управление обычным пультом ДУ (например, от телевизора) и память на несколько маршрутов, чтобы доставлять, хм, газировку из кухни.

Разумеется, уже тогда я думал о том, как назвать машину. И сначала решил, что будет XTrak — на память о неповторимом оригинале. Потом под впечатлением от одного широко известного в узких кругах сериала переименовал его в XTrak Gator, поскольку в сериале были машины Viper и Raptor — а вот транспортера‑амфибии у них не было. Под это дело я даже сообразил особый вариант башни, который так и не увидел свет.

И вот, простите за политику, пока я делал луноход, наступило то, что наступило. И я подумал, что не нужна мне эта их заграница. У меня будет «Электроника-2» или, сокращенно «ЭЛ-2».

Корпус

Из этого понимания появилась вторая версия корпуса. Я вспомнил, что еще в школе очень любил рисовать планетоходы. Они получались состоящими из настолько динамичных овалов (привет, сова!), что прагматичный одноклассник как‑то даже спросил, на кой такая аэродинамика, если машина гусеничная. Мысль показалась логичной, и я надолго завязал с этим творчеством. А теперь понял, что вот она — та самая форма. И где‑то в считанные минуты после озарения эскиз был готов.

Не буду рассказывать, как я его перерисовывал в 3D, как нарезал на части и придумывал стыковочные узлы. Не потому, что тайна, а потому что многое уже сам забыл и не увлекался документированием.

Но могу показать небольшой прогресс в оптимизации формы. Вот, к примеру, сравните, какими были и какими стали носовая и кормовая части:

Отдельная история про колеса. В какой‑то момент я понял, что не хочу видеть у своего лунохода ординарные желтые китайские колеса. А еще хотелось, чтобы конструкция была максимально печатной. И тогда я нашел на Thingiverse удивительные колеса с печатными подшипниками. Точнее — просто необычный печатный подшипник. Опущу детали, как я с ними намучился. Вкратце — разминал сварившиеся подшипники шуруповертом в суспензии из пищевой соды, потому что движущиеся части сплавились при печати. Но результат меня вполне устроил. Правда, покрышки пришлось оставить китайские: чистый пластик проскальзывал, а свои покрышки из TPU я не был готов печатать.

И чем ближе к завершению я подходил, тем больше удивительных костылей возникало повсюду, поскольку одни неизбежно тянули за собой другие. Например, сначала я планировал цельный блистер, который бы фиксировался частями корпуса. Но тестовая сборка показала, что вариант так себе: слишком много некрасивых стыков. Слишком много точек незапланированной разборки.

Поэтому корпус стал более монолитным, а блистер, наоборот, составным — гибкая часть размещалась в пазу башни и затем распиралась основной вставной частью. Как мы понимаем, конструкция провальная из‑за того, что ее чрезвычайно сложно разобрать для отладки, ремонта или профилактики. Зато рабочая. Я даже предусмотрел в блистере тоннель под проводку и крепление колпака ИК‑датчика, чем с относительным успехом воспользовался без перепечатывания всей детали.

Позже боковые датчики препятствия и ходовые огни переехали из корпуса в боковые экраны. Для них просто не осталось места и я не был готов переделывать корпус. Поэтому пошел самым простым путем.

Ну то есть как простым? С небольшой хитростью. Проводка к датчикам и подсветке в экране проложена через каналы внутри крайних осей.

Аналогично в шасси появились и обычные подшипники, когда выяснилось, что ведущие оси получились чрезвычайно длинными и действуют на моторы, как рычаги. А еще тупо стачиваются и вываливаются.

Мало того, чтобы не перепечатывать уже готовые детали, где было возможно, я добавлял проставки, вкладыши, сверлил отверстия и тому подобное. Пищалку в итоге вообще закрепил на термоклее (промахнулся с диаметром посадочного места), как и некоторые другие детали, для которых вообще не было мест. Страшные костыли? Да! Но мне до этого уже не было дела: нужно было закончить машину любой ценой.

База

У «ЭЛ-2» три режима: программное управление, случайный маршрут и дистанционное управление ИК‑пультом. Количество ячеек памяти и масштаб шага можно менять — но в коде. Я пока остановился на 15 шагах, потому что прикинул, что вряд ли больше удержу в памяти.

Чтобы машина не билась о препятствие, есть четыре ИК‑датчика, по сигналу которых движение прерывается без объезда. Потому что, во‑первых, любое препятствие делает невозможным завершение маршрута по программе и, во‑вторых, эти датчики не дают понятия ни о размере, ни о характере препятствия. В‑третьих, потому что для более сложных вещей у меня ума не хватает.

Для красоты есть разноцветная подсветка: фары, габариты, поворотники, ходовые огни, подсветка клавиатуры. Рулить оттенками — из кода. Ну и еще пьезокерамическая пищалка, которая почти не используется, но есть.

Трансмиссия

Ходовая часть, построенная по мотивам Big Trak, состоит из шести колес с двумя ведущими на обычных желтых китайских редукторных моторчиках (TT‑моторы). Когда они работают синхронно, машина едет вперед или назад. В противофазе — поворачивает налево или направо. 

Для максимально прямолинейного движения в оригинале, как я понял, применяется магнитное сцепление моторов, но повторить его мне было слабо. Вместо этого планировал поставить энкодеры на валы моторов и считать пройденный путь. Но отказался от этой идеи, посчитав ее слишком сложной. Зато сейчас обкатываю коррекцию на лету: периодически меняю направление моторов, чтобы удерживать курс. 

Подвески нет, колеса жестко сидят на осях. Поэтому итог оказался примитивным: всего два мотора (на левое и правое колесо), всего один драйвер на L298N и никакой амортизации или компенсации неровностей.

Электроника

Ядро «ЭЛ-2» — микроконтроллер Arduino Nano, к которому в финальной версии подключаются: драйвер моторов, светодиодная лента, четыре инфракрасных датчика препятствия, ИК‑приемник, мембранная клавиатура и пьезокерамическая пищалка.

Как видно, если подключать все пин к пину, то экономика не сходится. Когда писал этот текст, то посчитал, что в максимальном варианте будет занят 21 пин, когда в наличии 19 условно беспроблемных пинов (не считая D13 и RX/TX, на которые я особо не рассчитывал). Вроде не ошибся, но кто знает.

Поэтому костыли. Так как клавиатуру, занимающую 8 пинов, оптимизировать было некуда, сфокусировался на моторах (6 пинов) и датчиках препятствия (4 пина).

Что сделал. Объединил пины EN‑A и EN‑B драйвера моторов, поскольку моторы и так всегда вместе работают и таким образом сэкономил один пин. Подключил все четыре датчика препятствия к одному аналоговому пину через резисторный ЦАП (сэкономил три пина), предполагая, что раз у них дискретный выход, все должно получиться. Спойлер — не очень‑то получилось, поскольку не очень точный аналог и уровни плавают, но жить можно.

Итого суммарно выигрыш составил 4 пина, занято 17 пинов из 19, которые я посчитал доступными. Кажется, пустяк, но при отладке возможность маневра по пинам очень пригодилась. Как и оставшиеся свободными RX/TX для вывода в терминал.

Питание

Так как полезный объем корпуса моими стараниями оказался невелик, то я рассматривал питание или от плоского аккумулятора‑пакета, или от одного элемента 18650. Напряжение обоих 3,7В (ладно, когда зарядим — 4,1–4,2В), то есть мало и для Arduino, и для всего прочего — моторов, света, датчиков.

Поэтому я поставил два повышающих преобразователя на MT3608: до 10В для питания Arduino и моторов и до 5В для питания датчиков и света. Да, я в курсе, что можно питать Arduino от 5В и мой вариант приводит только к лишним потерям на еще одном стабилизаторе. Но у меня вот такое легаси.

Для зарядки аккумулятора использую простейшую плату на чипе TP4056 (без дополнительных защит) и двухпозиционный переключатель, который подключает аккумулятор или к машине, или к плате зарядки. 

Впоследствии ИИ советовал не тратить энергию на преобразования и взять пару, а то и три штуки 18650. Но я уперся рогом, да и места особо нет. Есть и другая причина. По‑моему, повышающие преобразователи в некоторой степени гарантируют мне постоянство напряжения в процессе разрядки аккумулятора. Это важно для движения и ЦАП ИК‑датчиков.

Ведь если я буду напрямую питать моторы и ЦАП от аккумулятора с плавающим напряжением, то рискую получить неадекватные реакции ходовой и датчиков. Правильно же?

Так что пока остаюсь при своем: один 18 650 плюс повышающие преобразователи. Пусть машина ездит меньше, но стабильнее.

Масштабирование

Сразу скажу, я не стал расти вверх. Я остался на том самом железе, с которого начал. На Arduino Nano, софт для которого был готов раньше самой машины. На драйвере L298N, про который с недавних пор знаю, что он теряет едва не больше, чем доносит до моторов.

Мог бы перейти на ESP32? Мог, наверное. Но я в принципе не очень понимаю эти контроллеры и их взаимодействие со средой Arduino, пусть там вроде и есть поддержка. Нет, не убеждайте — перевернул уже эту страницу. От ESP не отказываюсь, но здесь не планирую.

Что еще? Управление через Wi‑Fi/Bluetooth не особо интересно. К тому же, управление по ИК — по сути API для любого другого. То есть, если очень захочется, можно вместо того же ИК‑приемника вставить ту же ESP только для дистанционного управления — в духе умельцев из интернета. 

Исходники

Если честно, есть большой соблазн оставить на стадии «я сделал». Потому что многие вещи некрасивые, многие без обработки ошибок и проверок, что‑то уже сам забыл, как работает и тому подобное 

Из любимого, но, наверное, для многих достаточно очевидного — использовал числа и bitRead() вместо (и вместе) с массивами. Показалось, что так сэкономлю память.

Например, вот так описаны режимы подсветки:

const unsigned long lightArray[8] = {15728640, 1008, 1032192, 524304, 16896, 15360, 15, 393216};

Здесь каждое число — десятичное представление 24 бит, отвечающих за светодиоды. Нулевой элемент (15728640) в двоичном счислении выглядит как 1111 0000 0000 0000 0000 0000. То есть указывает на четыре первых светодиода в ленте. Да, я в курсе, что по записи они — старшие, последние, биты.

Включается такая штука простой процедурой (с готовой библиотекой NeoPixelBus):

void lightsOn(byte lightMode, boolean lightOn, byte ledR, byte ledG, byte ledB) {

        for (byte ledCount = 24 ; ledCount > 0; ledCount--) {

          if (bitRead(lightArray[lightMode], ledCount - 1) == 1) {

            lights.SetPixelColor(24 - ledCount, RgbColor(ledR, ledG, ledB));  

       } 

     }

  }

Здесь lightMode — это как раз указатель на группу подсветки. Аналогично сделано управление моторами (там число — маска состояний пинов Arduino, подключенных к драйверу) и контроль датчиков препятствий, где маска описывает возможные направления движения. Гордиться, наверное, особо нечем, но уж чем богаты — тем и рады.

С корпусом та же история. У меня нет финальной подборки деталей, про которую можно сказать: вот это все печатаем, собираем и получится «ЭЛ-2». То есть, до какого‑то момента я пытался хоть как‑то выделять рабочие ветки деталей. Но последние пару лет — уже нет. Рисовал и печатал по ситуации.

Есть время и силы, значит делаю следующую деталь. Если можно было не перепечатывать — брал в руки инструменты и допиливал готовое. Успешные принты не выделял: встало на место — и хорошо, перехожу к следующей детали. 

Факапы

А как же без них? Напоследок самое сладкое, которое писать было необязательно, но я знаю, что тут такое любят. То есть, все те дурацкие проблемы, которых можно было бы избежать, если больше учиться и вообще быть аккуратнее.

Вижу цель, не вижу препятствий

Тестовый запуск с датчиками препятствий. Вроде все должно быть нормально: соединения проверены, уровни ЦАП записаны и соотнесены с масками разрешений на ход. Что надо — мигает лампочками, что не надо — не мигает. Ввожу программу, включились моторы, выключились моторы, загорелись ВСЕ индикаторы препятствий ВСЕХ датчиков, хотя препятствий нет. И так — пока не выключу‑включу.

Перепроверил соединения, прошелся мультиметром по напряжениям, проверил код — должно работать. Повторяю тест — та же петрушка: после работы моторов все датчики препятствия срабатывают и остаются включенными. ИИ убедил, что это из‑за моторов и надо ставить фильтрующую керамику прямо на них. Поставил, результат тот же. 

Пожаловался старшим товарищам. Те сказали поставить фильтрующие конденсаторы на шину питания. Поставил керамику и электролит — бинго!

Вроде бы все, да? Нет. Ставлю датчики на места, снова нештатно загораются, пусть я и предусмотрительно обмотал ИК‑светодиоды и фотодиоды зеркальным скотчем на случай засветки. И все равно засветка.

Ну тут хотя бы ясно было, в чем проблема — я ж проверил и вне корпуса и все было нормально. Напечатал накладки, которые уже надежно изолировали ИК‑диоды друг от друга. Переживал, конечно, что серого PLA в не очень много слоев не хватит, но — хватило.

Думаете все, да? Нет. Оказалось, что три из четырех датчиков в деле (сзади и слева‑справа), а вот тот, что спереди — отлынивает. Его радиус действия заканчивался ближе, чем начинался нос машины. 

Решение? Костыль! Сделал накладку для выноса светодиода и фотодиода. Идея такая: накладка входит в отверстия, где изначально был датчик препятствия — чтобы не перепечатывать нос. Светодиод и фотодиод снимаются с платы и подключаются к ней через провода, находясь при этом в углублениях накладки. 

В свое оправдание скажу, что эта деталь даже освежила экстерьер лунохода.

Ученье — свет

Тестовый запуск с управлением ИК‑пультом. Вперед — ок, назад — ок, влево‑вправо тоже ок. Стоп — в терминал начинает непрерывно сыпаться мусор с ИК‑приемника. На кнопки пульта не реагирует до перезагрузки. Причем что удивительно, мусор только после остановки, а если выключить процедуру управления моторами, то вообще работает, как надо.

Ну тут я уже не стал дергать старших товарищей, сразу пошел сдаваться на милость ИИ, который почти убедил меня сделать управление на отдельном контроллере. Понимаешь, говорит, брат, у WS2812B высокочастотное управление шибко сильно шумит, однако. Вот, значит, ИК‑приемник и сходит с ума.

Но был у ИИ и другой вариант — поставить резистор на выход ИК‑приемника, RC‑фильтр на питание, перенести питание подальше от WS2812B. Так как это не требовало лишнего контроллера, решил попробовать. И заодно поменял поставленный в машину безымянный ИК‑приемник на купленный в давние времена в Чип‑и-Дипе TSOP1736. 

И? И все. Команды стали проходить идеально в любом режиме. Никакого мусора. Прошу прощения, но не стал разбираться, что сработало — замена приемника, перенос питания в другое место или фильтр.

НесовмеШИМость

Тут уже был не тестовый запуск, а желание сделать плавный старт‑торможение и помедленнее карусель на развороте. Поэтому снова пересмотрел карту пинов, умудрился освободить выход с ШИМ (благо в последней версии подключения моторов нужен был один) и скорректировал программу.

Здесь получилось почти как в случае с WS2812B. Одна команда с ИК‑пульта прошла. Следующие за ней команды не распознаются, но хотя бы постоянного потока мусора нет. Просто нажал кнопку, получил вывод, что команда неизвестна — и так до перезагрузки.

По версии ИИ, тут может иметь место конфликт библиотеки IRRemote и ШИМ. Скажу честно, здесь я уже разбираться не стал. Решил, что если и дальше буду покупать перламутровые пуговицы по одной, лишусь и курточки — как в той сказке про паренька с неразменной монеткой.

Мишн импосибл: перерезать пуповину

Итак, первый выход в люди. Не на стенде. Не со стационарным питанием. На своих шести и от батарейки. Вбиваю программу, на долю секунды вспыхивают лампочки. И все гаснет, даже дернуться не успевает. Стоим, пока не передерну питание. Да что ж, думаю, такое‑то? Причем я же помню, что когда у меня год назад, что ли, сдали нервы, то запускал с горем пополам закрытую машину (без датчиков, без подсветки, без ИК) от плоского пакета‑аккумулятора. И ездила. То есть, и сейчас должна ехать. Но не едет.

Снова на поклон к ИИ. Тот, понятно, выдает банальное, что у меня запредельный стартовый ток и батарейка не сдюживает, потому все и вырубается. ИИ предложил сделать плавный пуск с RC‑цепочкой. Типа хватит 4,7 кОм + 100 мкФ. Не хватило. Тогда он начал юлить и говорить, что давай поставим накопительный на 4700 мкФ на питание драйвера моторов. Пусть, значит, сглаживает просадку. Ну ок, купил, поставил. Снова все гаснет на старте. Я понимаю, что теперь надо выяснять, у кого проблемы: у аккумулятора, платы зарядки или повышающего преобразователя.

Поэтому для начала отключаю аккумулятор от зарядки и подключаю напрямую к повышающим преобразователям. И (о, чудо!) машина едет. Очевидно, дело было в плате зарядки с защитными цепями — я надеялся, что она не даст слишком быстро погибнуть аккумулятору, но она же не давала нормально работать машине. Думаю, уходила в защиту по току.

Пришлось пойти в обход: взял более простую плату зарядки (без дополнительных защит) и двухпозиционный переключатель: когда включен — работает машина, когда выключен — зарядка.

Ученье — свет, часть вторая

Вроде бы все нормально и я даже старался не обращать внимание на один из светодиодов ходовых огней слева. Он, зараза, светился иначе, чем было в программе. Я думал, что перегрел при пайке и не лез в экран, потому что…да потому что не хотел в него лезть лишний раз.

И тесты вроде шли своим чередом, пока при очередной корректировке я не заметил, что этот самый сегмент ходовых огней мигает синхронно с поворотником. А не должен был.

Понятное дело, ИИ тут же мне выкатил кучу идей, как я накосячил с кодом. Но я был настроен пессимистично и поэтому снял экран и стал смотреть. Увидел, что тот самый диод постоянно тускло горит зеленым. Написал про это ИИ. Тот начал втирать, что диод сдох. Ну ладно, поменял — благо остались запасные. Не помогло. Одновременно заметил, что этот сегмент ходовых стал гаснуть целиком почти сразу после включения, а этого точно в коде не было и вряд ли проблема в светодиодах.

Расчехлил мультиметр, подключился. И…вместо пяти вольт на сегмент почему‑то приходило заметно меньше. При этом на выходе повышающего до 5В преобразователя все было нормально. Вы уже догадались? Нет? И то верно. Я ж не сказал, что в очередном припадке креатива подключал питание сегментов подсветки звездой?

Так вот, оказалось, что это и хорошая, и плохая идея. Хорошая потому, что если накосячить с пайкой питания, то накроется только один сегмент (или даже один светодиод), а вот плохая — потому что это получается не совсем очевидно.

Размышляя над тем, почему на сегмент приходит заметно меньше 5В, я стал проверять все подключения. И в процессе обнаружил обрыв (точнее — отвал) земли на линии питания сегмента. Так что моя теория такова: без земли WS2812B в этом сегменте получали питание через управляющую линию. При этом весь сегмент из четырех светодиодов питался от одного (к которому приходило +5В). Сил этого героя хватало ненадолго — отсюда мигание при поворотах (упал — отжался) и полное погасание при сколь‑нибудь долгом включении.

Вернул на место землю — и порядок.

Вместо заключения

Я, наверное, мог бы еще много чего рассказать, про то, как делал «ЭЛ-2». Например, про то, как запорол чудесную и случайно найденную на Aliexpress клавиатуру со стрелками и кнопками START/STOP. Или про то, как закоротил USB‑кабель, а думал, что убил контроллер. Или про зарок убрать бардак со стола, когда машина поедет (спойлер: не убрал). Но не буду.

Это была хорошая охота.