Robot podążający za ścianą DIY: 9 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

W tej instrukcji wyjaśnimy, jak zaprojektować system wykrywania i unikania przeszkód przy użyciu GreenPAK ™ wraz z kilkoma zewnętrznymi czujnikami ultradźwiękowymi i podczerwienią (IR). Ten projekt wprowadzi pewne zagadnienia, które są wymagane w przypadku autonomicznych i sztucznie inteligentnych systemów robotycznych.

Poniżej opisaliśmy kroki potrzebne do zrozumienia, jak zaprogramowano rozwiązanie, aby stworzyć robota podążającego za ścianą. Jeśli jednak chcesz tylko uzyskać wynik programowania, pobierz oprogramowanie GreenPAK, aby wyświetlić już ukończony plik projektu GreenPAK. Podłącz zestaw GreenPAK Development Kit do komputera i naciśnij program, aby stworzyć robota podążającego za ścianą.

Krok 1: Stwierdzenie problemu

Ostatnio ponownie pojawiło się zainteresowanie sztuczną inteligencją, a duża część tego zainteresowania skierowana jest na w pełni autonomiczne i inteligentne maszyny. Takie roboty mogą zminimalizować odpowiedzialność człowieka i rozszerzyć automatyzację na takie dziedziny, jak służby cywilne i obrona. Naukowcy zajmujący się sztuczną inteligencją próbują zautomatyzować usługi, takie jak straż pożarna, opieka medyczna, zarządzanie katastrofami i ratowanie życia za pomocą autonomicznych pojazdów zrobotyzowanych. Jednym z wyzwań, które muszą pokonać te pojazdy, jest skuteczne wykrywanie i unikanie przeszkód, takich jak gruz, pożar, pułapki itp.

Krok 2: Szczegóły implementacji

W tej instrukcji będziemy używać czujnika ultradźwiękowego, pary czujników wykrywających przeszkody na podczerwień, obwodu sterownika silnika (L298N), czterech silników prądu stałego, kół, szkieletu samochodu z napędem na cztery koła i układu GreenPAK SLG46620V.

Cyfrowy pin wyjściowy kontrolera GreenPAK służy do wyzwalania czujnika ultradźwiękowego (inaczej sonar), a cyfrowy pin wejściowy służy do zbierania wynikowego echa z przeszkód w celu analizy. Obserwuje się również wyjście czujnika wykrywania przeszkód na podczerwień. Po zastosowaniu zestawu warunków, jeśli przeszkoda jest zbyt blisko, silniki (podłączone do każdego z 4 kół) są dostosowywane, aby uniknąć kolizji.

Krok 3: Wyjaśnienie

Autonomiczny robot do unikania przeszkód musi być zdolny zarówno do wykrywania przeszkód, jak i unikania kolizji. Konstrukcja takiego robota wymaga integracji różnych czujników, takich jak czujniki uderzeniowe, czujniki podczerwieni, czujniki ultradźwiękowe itp. Montując te czujniki na robocie, może on uzyskać informacje o otaczającym obszarze. Czujnik ultradźwiękowy nadaje się do wykrywania przeszkód dla wolno poruszającego się robota autonomicznego, ponieważ ma niski koszt i stosunkowo duży zasięg.

Czujnik ultradźwiękowy wykrywa obiekty, emitując krótki impuls ultradźwiękowy, a następnie nasłuchując echa. Pod kontrolą mikrokontrolera nadrzędnego czujnik emituje krótki impuls 40 kHz. Impuls ten przemieszcza się w powietrzu, aż uderzy w obiekt, a następnie jest odbijany z powrotem do czujnika. Czujnik dostarcza sygnał wyjściowy do hosta, który kończy się po wykryciu echa. W ten sposób szerokość zwróconego impulsu jest wykorzystywana do obliczenia odległości do obiektu.

Ten pojazd zrobotyzowany do unikania przeszkód wykorzystuje czujnik ultradźwiękowy do wykrywania obiektów na swojej drodze. Silniki są połączone przez układ scalony sterownika silnika z GreenPAK. Czujnik ultradźwiękowy jest przymocowany z przodu robota, a dwa czujniki podczerwieni do wykrywania przeszkód są przymocowane po lewej i prawej stronie robota w celu wykrywania przeszkód bocznych.

Gdy robot porusza się po pożądanej ścieżce, czujnik ultradźwiękowy nieprzerwanie przesyła fale ultradźwiękowe. Za każdym razem, gdy przeszkoda znajduje się przed robotem, fale ultradźwiękowe są odbijane od przeszkody, a informacja ta jest przekazywana do GreenPAK. Jednocześnie czujniki IR emitują i odbierają fale IR. Po zinterpretowaniu sygnałów wejściowych z czujników ultradźwiękowych i podczerwieni, GreenPAK steruje silnikami każdego z czterech kół.

Krok 4: Opis algorytmu

Podczas uruchamiania cztery silniki są włączane jednocześnie, powodując ruch robota do przodu. Następnie czujnik ultradźwiękowy wysyła impulsy z przodu robota w regularnych odstępach czasu. Jeśli obecna jest przeszkoda, impulsy dźwiękowe są odbijane i wykrywane przez czujnik. Odbicie impulsów zależy od stanu fizycznego przeszkody: jeśli ma ona nieregularny kształt, to odbitych impulsów będzie mniej; jeśli jest jednorodny, to większość przesyłanych impulsów zostanie odbita. Odbicie zależy również od kierunku przeszkody. Jeśli jest lekko pochylony lub umieszczony równolegle do czujnika, większość fal dźwiękowych nie zostanie odbita.

Gdy przed robotem zostanie wykryta przeszkoda, obserwowane są boczne wyjścia z czujników podczerwieni. Jeśli przeszkoda zostanie wykryta po prawej stronie, lewe boczne opony robota zostaną wyłączone, co spowoduje, że skręci się w lewo i na odwrót. Jeśli przeszkoda nie zostanie wykryta, algorytm jest powtarzany. Schemat blokowy pokazano na rysunku 2.

Krok 5: Czujnik ultradźwiękowy HC-SR04

Czujnik ultradźwiękowy to urządzenie, które może mierzyć odległość do obiektu za pomocą fal dźwiękowych. Mierzy odległość, wysyłając falę dźwiękową o określonej częstotliwości i nasłuchując, aż fala dźwiękowa się odbije. Rejestrując czas, jaki upłynął między wygenerowaniem fali dźwiękowej a odbiciem fali dźwiękowej, możliwe jest obliczenie odległości między czujnikiem sonaru a obiektem. Dźwięk rozchodzi się w powietrzu z prędkością około 344 m/s (1129 ft/s), dzięki czemu można obliczyć odległość od obiektu za pomocą formuły 1.

Czujnik ultradźwiękowy HC-SR04 składa się z czterech pinów: Vdd, GND, Trigger i Echo. Za każdym razem, gdy impuls z kontrolera zostanie przyłożony do bolca wyzwalającego, czujnik emituje falę ultradźwiękową z „głośnika”. Fale odbite są wykrywane przez „odbiornik” i przesyłane z powrotem do kontrolera za pośrednictwem szpilki Echo. Im dłuższa odległość między czujnikiem a przeszkodą, tym dłuższy będzie impuls na bolcu Echo. Impuls pozostaje włączony przez czas potrzebny na przebycie impulsu sonaru z czujnika i powrót z powrotem, podzielony przez dwa. Po wyzwoleniu sonaru uruchamia się wewnętrzny zegar, który działa do momentu wykrycia odbitej fali. Ten czas jest następnie dzielony przez dwa, ponieważ rzeczywisty czas potrzebny fali dźwiękowej na dotarcie do przeszkody był o połowę krótszy od czasu włączenia timera.

Działanie czujnika ultradźwiękowego ilustruje rysunek 4.

Aby wygenerować impuls ultradźwiękowy, należy ustawić Trigger w stan WYSOKI na 10μs. To wyemituje 8-cyklowy impuls dźwiękowy, który odbije się od każdej przeszkody przed urządzeniem i zostanie odebrany przez czujnik. Pin Echo wyprowadza czas (w mikrosekundach), w którym przebyła fala dźwiękowa.

Krok 6: Moduł czujnika wykrywania przeszkód na podczerwień

Podobnie jak czujnik ultradźwiękowy, podstawową koncepcją wykrywania przeszkód w podczerwieni (IR) jest przesyłanie sygnału IR (w postaci promieniowania) i obserwacja jego odbicia. Moduł czujnika podczerwieni pokazano na rysunku 6.

Cechy

• Na płytce drukowanej znajduje się lampka kontrolna przeszkody
• Cyfrowy sygnał wyjściowy
• Odległość wykrywania: 2 ~ 30 cm
• Kąt wykrywania: 35 °
• Układ porównawczy: LM393
• Regulowany zasięg wykrywania za pomocą potencjometru:

○ Zgodnie z ruchem wskazówek zegara: zwiększ odległość wykrywania

○ W lewo: zmniejsz odległość wykrywania

Specyfikacje

• Napięcie robocze: 3 – 5 V DC
• Typ wyjścia: Cyfrowe wyjście przełączające (0 i 1)
• Otwory na śruby 3 mm dla łatwego montażu
• Rozmiar deski: 3,2 x 1,4 cm

Opis wskaźnika kontrolnego opisany w tabeli 1.

Krok 7: Obwód sterownika silnika L298N

Obwód sterownika silnika lub mostek H służy do sterowania prędkością i kierunkiem silników prądu stałego. Posiada dwa wejścia, które należy podłączyć do osobnego źródła prądu stałego (silniki pobierają duży prąd i nie mogą być zasilane bezpośrednio ze sterownika), dwa zestawy wyjść dla każdego silnika (dodatnie i ujemne), dwa piny zezwalające na każdy zestaw wyjść i dwa zestawy kołków do sterowania kierunkiem każdego wyjścia silnika (dwa kołki na każdy silnik). Jeśli skrajne lewe piny otrzymają poziomy logiczne HIGH dla jednego pinu i LOW dla drugiego, silnik podłączony do lewego gniazda będzie się obracał w jednym kierunku, a jeśli kolejność logiki zostanie odwrócona (NISKI i WYSOKI), silniki będą się obracać w przeciwnym kierunku. To samo dotyczy skrajnych prawych kołków i prawego silnika wylotowego. Jeśli oba piny w parze otrzymają poziomy logiczne HIGH lub LOW, silniki zatrzymają się.

Ten podwójny dwukierunkowy sterownik silnika oparty jest na bardzo popularnym układzie scalonym sterownika silnika L298 Dual H-Bridge. Moduł ten pozwala na łatwe i niezależne sterowanie dwoma silnikami w obu kierunkach. Do sterowania wykorzystuje standardowe sygnały logiczne i może sterować dwufazowymi silnikami krokowymi, czterofazowymi silnikami krokowymi i dwufazowymi silnikami prądu stałego. Posiada kondensator filtrujący i diodę gaszącą, która chroni urządzenia w obwodzie przed uszkodzeniem przez prąd wsteczny obciążenia indukcyjnego, zwiększając niezawodność. L298 ma napięcie sterownika 5-35 V i poziom logiczny 5 V.

Funkcja sterownika silnika została opisana w tabeli 2.

Schemat blokowy przedstawiający połączenia między czujnikiem ultradźwiękowym, sterownikiem silnika i układem GPAK pokazano na rysunku 8.

Krok 8: Projekt GreenPAK

W macierzy 0 wejście wyzwalające dla czujnika zostało wygenerowane przy użyciu CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 i oscylatora. Sygnał wejściowy z pinu Echo czujnika ultradźwiękowego jest odczytywany za pomocą Pin3. Na 3-bitowym LUT0 zastosowano trzy wejścia: jedno z Echo, drugie z Triggera i trzecie to wejście Trigger opóźnione o 30 us. Dane wyjściowe z tej tabeli przeglądowej są używane w macierzy 1. Dane wyjściowe z czujników podczerwieni są również pobierane w macierzy 0.

W macierzy 1, porty P1 i P6 są połączone razem i połączone z Pin17, który jest podłączony do Pin1 sterownika silnika. Pin18 jest zawsze w stanie logicznym LOW i jest podłączony do Pin2 sterownika silnika. Podobnie porty P2 i P7 są połączone razem i połączone z Pin20 GreenPAK, który jest podłączony do P3 obwodu sterownika silnika. Pin19 jest podłączony do Pin4 sterownika silnika i jest zawsze na poziomie logiki LOW.

Gdy pin Echo jest WYSOKI, oznacza to, że obiekt znajduje się przed robotem. Robot następnie sprawdza lewą i prawą przeszkodę z czujników podczerwieni. Jeśli przeszkoda znajduje się również po prawej stronie, robot skręca w lewo, a jeśli przeszkoda znajduje się po lewej stronie, skręca w prawo. W ten sposób robot omija przeszkody i porusza się bez kolizji.

Wniosek

W tym Instructable stworzyliśmy prosty pojazd do automatycznego wykrywania i unikania przeszkód, używając GreenPAK SLG46620V jako głównego elementu sterującego. Dzięki dodatkowym obwodom ten projekt można ulepszyć, aby wykonywać inne zadania, takie jak znajdowanie ścieżki do określonego punktu, algorytm rozwiązywania labiryntu, algorytm śledzenia linii itp.

Krok 9: Zdjęcia sprzętu