DIY robot sledující zeď: 9 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

V tomto Instructable vysvětlíme, jak navrhnout systém detekce a vyhýbání se překážkám pomocí GreenPAK ™ společně s několika externími ultrazvukovými a infračervenými (IR) senzory. Tento návrh představí některá témata, která jsou požadována pro autonomní a uměle inteligentní robotické systémy.

Níže jsme popsali kroky potřebné k pochopení toho, jak bylo řešení naprogramováno pro vytvoření robota následujícího po zdi. Pokud však chcete získat pouze výsledek programování, stáhněte si software GreenPAK a zobrazte již dokončený soubor návrhu GreenPAK. Připojte vývojovou sadu GreenPAK k počítači a spusťte program a vytvořte robota následujícího po zdi.

Krok 1: Prohlášení o problému

Nedávno byl obnoven zájem o umělou inteligenci a velká část tohoto zájmu směřuje k plně autonomním a inteligentním strojům. Takoví roboti mohou minimalizovat lidskou odpovědnost a rozšířit automatizaci na oblasti, jako jsou civilní služby a obrana. Výzkumníci umělé inteligence se pokoušejí automatizovat služby, jako je hašení požárů, lékařská péče, zvládání katastrof a povinnosti zachraňující život, prostřednictvím autonomních robotických vozidel. Jednou z výzev, kterou musí tato vozidla překonat, je, jak úspěšně detekovat a vyhýbat se překážkám, jako jsou sutiny, oheň, nástrahy atd.

Krok 2: Podrobnosti o implementaci

V tomto Instructable budeme používat ultrazvukový senzor, dvojici IR detektorů detekce překážek, obvod řidiče motoru (L298N), čtyři stejnosměrné motory, kola, kostru auta s pohonem 4 kol a čip GreenPAK SLG46620V.

Digitální výstupní kolík ovladače GreenPAK se používá ke spuštění ultrazvukového senzoru (aka sonaru) a digitální vstupní kolík slouží ke shromažďování výsledné ozvěny od překážek před námi pro analýzu. Je také sledován výstup senzoru detekce IR překážek. Po použití sady podmínek, pokud je překážka příliš blízko, jsou motory (připojené ke každému ze 4 kol) upraveny tak, aby se zabránilo kolizi.

Krok 3: Vysvětlení

Autonomní robot pro vyhýbání se překážkám musí být schopen detekovat překážky i vyhýbat se kolizím. Konstrukce takového robota vyžaduje integraci různých senzorů, jako jsou nárazové senzory, infračervené senzory, ultrazvukové senzory atd. Namontováním těchto senzorů na robota může získat informace o okolní oblasti. Ultrazvukový senzor je vhodný pro detekci překážek pro pomalu se pohybujícího autonomního robota, protože má nízké náklady a relativně vysoký dosah.

Ultrazvukový senzor detekuje objekty vysláním krátkého ultrazvukového výbuchu a následným poslechem ozvěny. Senzor pod kontrolou hostitelského mikrokontroléru vysílá krátký 40 kHz impuls. Tento puls cestuje vzduchem, dokud nenarazí na předmět, a poté se odráží zpět k senzoru. Senzor poskytuje hostiteli výstupní signál, který končí, když je detekována ozvěna. Šířka vráceného impulsu se tak použije k výpočtu vzdálenosti k objektu.

Toto robotické vozidlo, které se vyhýbá překážkám, používá k detekci předmětů v cestě ultrazvukový senzor. Motory jsou připojeny přes IC ovladače motoru k GreenPAK. Ultrazvukový senzor je připevněn k přední části robota a dva senzory detekce IR překážek jsou připevněny na levé a pravé straně robota, aby detekovaly boční překážky.

Když se robot pohybuje po požadované dráze, ultrazvukový senzor nepřetržitě vysílá ultrazvukové vlny. Kdykoli je před robotem překážka, ultrazvukové vlny se od překážky odrazí a tato informace se předá GreenPAK. Infračervené senzory současně vyzařují a přijímají infračervené vlny. Po interpretaci vstupů z ultrazvukových a IR senzorů ovládá GreenPAK motory pro každé ze čtyř kol.

Krok 4: Popis algoritmu

Při spuštění se čtyři motory zapnou současně, což způsobí pohyb robota vpřed. Dále ultrazvukový senzor v pravidelných intervalech vysílá impulsy z přední části robota. Pokud je přítomna překážka, zvukové impulsy se odrazí a jsou detekovány snímačem. Odraz impulzů závisí na fyzickém stavu překážky: pokud má nepravidelný tvar, pak bude odražených impulzů méně; pokud je rovnoměrný, pak se většina přenesených impulsů odrazí. Odraz také závisí na směru překážky. Pokud je mírně nakloněn nebo umístěn paralelně se snímačem, pak většina zvukových vln projde bez odrazu.

Když je před robotem detekována překážka, jsou pozorovány boční výstupy z IR senzorů. Pokud je na pravé straně detekována překážka, pneumatiky na levé straně robota se deaktivují, což způsobí, že se otočí doleva a naopak. Pokud není překážka detekována, algoritmus se opakuje. Vývojový diagram je znázorněn na obrázku 2.

Krok 5: Ultrazvukový senzor HC-SR04

Ultrazvukový senzor je zařízení, které dokáže měřit vzdálenost k objektu pomocí zvukových vln. Měří vzdálenost vysláním zvukové vlny na konkrétní frekvenci a poslechem, aby se tato zvuková vlna odrazila. Zaznamenáním uplynulého času mezi generovanou zvukovou vlnou a odrazem zvukové vlny zpět je možné vypočítat vzdálenost mezi senzorem sonaru a objektem. Zvuk se šíří vzduchem rychlostí přibližně 344 m/s (1129 ft/s), takže vzdálenost od objektu můžete vypočítat pomocí vzorce 1.

Ultrazvukový senzor HC-SR04 se skládá ze čtyř kolíků: Vdd, GND, Trigger a Echo. Kdykoli je na kolík Trigger aplikován impuls z ovladače, senzor vydá ultrazvukovou vlnu z „reproduktoru“. Odrazené vlny jsou detekovány „přijímačem“a jsou přenášeny zpět do ovladače pomocí kolíku Echo. Čím delší je vzdálenost mezi senzorem a překážkou, tím delší bude puls na kolíku Echo. Pulz zůstává zapnutý po dobu, po kterou sonarový puls cestuje ze senzoru a vrací se zpět, děleno dvěma. Když je spuštěn sonar, spustí se interní časovač, který pokračuje, dokud není detekována odražená vlna. Tento čas je pak vydělen dvěma, protože skutečný čas, který zvuková vlna potřebovala k dosažení překážky, byl poloviční, než byl zapnutý časovač.

Činnost ultrazvukového senzoru je znázorněna na obrázku 4.

Abyste mohli generovat ultrazvukový puls, musíte nastavit Spoušť na 10 Hs na VYSOKÝ stav. To vyšle 8-cyklový zvukový výbuch, který se bude odrážet od jakékoli překážky před zařízením a bude přijímán snímačem. Pin Echo bude vydávat čas (v mikrosekundách), který zvuková vlna urazila.

Krok 6: Modul senzoru detekce infračervených překážek

Stejně jako ultrazvukový senzor je základním konceptem infračervené (IR) detekce překážek přenos infračerveného signálu (ve formě záření) a pozorování jeho odrazu. Modul infračerveného senzoru je zobrazen na obrázku 6.

Funkce

• Na desce s obvody je kontrolka překážky
• Digitální výstupní signál
• Detekční vzdálenost: 2 ~ 30 cm
• Detekční úhel: 35 °
• Komparační čip: LM393
• Nastavitelný rozsah detekční vzdálenosti pomocí potenciometru:

○ Ve směru hodinových ručiček: Zvyšte detekční vzdálenost

○ Proti směru hodinových ručiček: Zkraťte detekční vzdálenost

Specifikace

• Pracovní napětí: 3 - 5 V DC
• Typ výstupu: Digitální spínací výstup (0 a 1)
• 3 mm otvory pro šrouby pro snadnou montáž
• Velikost desky: 3,2 x 1,4 cm

Kontrolka Popis popsaný v tabulce 1.

Krok 7: Obvod ovladače motoru L298N

Obvod ovladače motoru nebo H-Bridge se používá k řízení rychlosti a směru stejnosměrných motorů. Má dva vstupy, které musí být připojeny k samostatnému stejnosměrnému zdroji napájení (motory odebírají silný proud a nemohou být napájeny přímo z ovladače), dvě sady výstupů pro každý motor (kladný a záporný), dva aktivační piny pro každý sada výstupů a dvě sady kolíků pro řízení směru každého výstupu motoru (dva piny pro každý motor). Pokud jsou dvěma levým kolíkům dány logické úrovně HIGH pro jeden kolík a LOW pro druhý, motor připojený k levému výstupu se bude otáčet v jednom směru a pokud je sekvence logiky obrácená (LOW a HIGH), motory se budou otáčet v opačném směru. Totéž platí pro kolíky úplně vpravo a motor na výstupu vpravo. Pokud jsou oběma pinům v páru přiřazeny logické úrovně HIGH nebo LOW, motory se zastaví.

Tento duální obousměrný ovladač motoru je založen na velmi oblíbeném integrovaném ovladači motoru L298 Dual H-Bridge Motor Driver. Tento modul vám umožňuje snadno a nezávisle ovládat dva motory v obou směrech. K řízení používá standardní logické signály a může pohánět dvoufázové krokové motory, čtyřfázové krokové motory a dvoufázové stejnosměrné motory. Má filtrační kondenzátor a volnoběžnou diodu, která chrání zařízení v obvodu před poškozením zpětným proudem indukční zátěže, což zvyšuje spolehlivost. L298 má budicí napětí 5-35 V a logickou úroveň 5 V.

Funkce ovladače motoru je popsána v tabulce 2.

Blokové schéma ukazující spojení mezi ultrazvukovým senzorem, ovladačem motoru a čipem GPAK je znázorněno na obrázku 8.

Krok 8: GreenPAK Design

V Matrix 0 byl spouštěcí vstup pro senzor generován pomocí CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 a oscilátoru. Vstup z kolíku Echo ultrazvukového senzoru se čte pomocí Pin3. Tři vstupy jsou aplikovány na 3bitové LUT0: jeden z Echo, druhý z Triggeru a třetí, což je vstup Trigger zpožděný o 30 us. Výstup z této vyhledávací tabulky je použit v Matrixu 1. Výstup z IR senzorů je také převzat v Matrixu 0.

V Matrixu 1 jsou porty P1 a P6 spojeny dohromady a připojeny ke kolíku 17, který je připojen ke kolíku 1 ovladače motoru. Pin18 je vždy na logické LOW a je připojen na Pin2 ovladače motoru. Podobně jsou porty P2 a P7 spojeny dohromady a spojeny s pinem GreenPAK Pin20, který je připojen k P3 obvodu ovladače motoru. Pin19 je připojen k Pin4 ovladače motoru a je vždy na logické úrovni LOW.

Když je pin Echo HIGH, znamená to, že je před robotem nějaký předmět. Robot poté z infračervených senzorů kontroluje levé a pravé překážky. Pokud je na pravé straně robota také překážka, pak se otočí doleva a pokud je překážka na levé straně, pak se otočí doprava. Tímto způsobem se robot vyhýbá překážkám a pohybuje se bez kolize.

Závěr

V tomto Instructable jsme vytvořili jednoduché automatické vozidlo pro detekci a vyhýbání se překážkám pomocí GreenPAK SLG46620V jako hlavního ovládacího prvku. S některými dalšími obvody lze tento design vylepšit tak, aby vykonával další úkoly, jako je hledání cesty k určitému bodu, algoritmus pro řešení bludiště, algoritmus pro sledování řádků atd.

Krok 9: Obrázky hardwaru