Ultrazvukový vyhýbací robot využívající Arduino: 7 kroků

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-23 14:38

V tomto tutoriálu vám ukážu, jak si vyrobit vlastního robota vyhýbajícího se překážkám! Použijeme desku Arduino UNO a ultrazvukový senzor. Pokud robot detekuje předmět před sebou, pomocí malého servomotoru prohledá oblast vlevo a vpravo, aby našel nejlepší způsob otáčení. Má také oznamovací LED, bzučák pro přehrávání tónu při detekci objektu a tlačítko pro změnu funkce robota (zastaveno/pohyb vpřed).

Je to velmi snadné!

Krok 1: Věci, které je třeba vyrobit

Pro tento projekt budete potřebovat:

1. Arduino UNO (koupit na Gearbest.com)
2. Mini breadboard (koupit na Gearbest.com)
3. Modul ovladače motoru L298 (koupit na Gearbest.com)
4. 2x stejnosměrné motory s koly Ultrazvukový senzor HC-SR04 (koupit na Gearbest.com)
5. Mikromotor (kupte si ho na Gearbest.com)
6. Tlačítko Červená LED Rezistor 220 Ohm Držák baterie 9V (s nebo bez napájecího konektoru)
7. 8 mezikusů (muži-ženy),
8. 8 matic a 8 šroubů, budete také potřebovat jednu velkou (kovovou)

kancelářská sponka a korálek na výrobu zadního opěrného kola.

Na základnu robota jsem použil Acryllic Chasis od Aliexpress. Můžete také použít kus dřeva nebo kovu (nebo dvě elektrické desky).

Náklady na celý projekt jsou asi 20 $

Nářadí: Vrtací stroj super lepidlo řidičské lepidlo horké pistole (volitelně) Výkon:

K napájení našeho robota použijeme 9V baterii, protože je malá a levná, ale není příliš výkonná a přibližně po jedné hodině bude prázdná. Zvažte, zda chcete použít dobíjecí baterii (min. 6 V, max. 7 V), která bude výkonnější, ale bude také dražší a větší než 9 V baterie. Přihlásit se k odběru Náš kanál YouTube Klikněte zde

Krok 2: Porozumění konceptům

Cílem je, aby si robot uvědomil překážky před sebou, aby mohl změnit směr a vyhnout se jim. V předchozím článku jsme provedli pohyb robota - nyní mu dáme určitou autonomii.

Ultrazvukový senzor

HC-SR04 je obvod schopný měřit vzdálenost k objektům až 4 metry pomocí ultrazvukových vln. Odesílá ping (jako ponorka) a měří čas (v mikrosekundách) mezi odesláním a přijetím čehokoli zpět. Tato doba se pak dělí číslem 2, jak vlna postupuje tam a zpět. A poté vydělte 29, abyste získali vzdálenost v centimetrech (nebo 74 pro palce), protože zvuk se šíří 29,4 µs na centimetr (340 m/s). Senzor je velmi přesný s tolerancí ~ 3 mm a snadno se integruje s Arduino.

Propojovací ultrazvukový senzor s mikrokontrolérem AVR

Každý autonomní robot by měl mít vyhnutou překážku a připojený snímač měření vzdálenosti. Pár IR vysílačů nebo snímač ve stupních šedi může snadno fungovat pro detekci překážek v rozsahu 1 cm až 10 cm. IR dálkoměry (například ostré) mohou měřit vzdálenost k nejbližší překážce s dosahem až 100 cm. IR senzory jsou však ovlivněny slunečním zářením a jinými světelnými zdroji. IR dálkoměry mají menší dosah a také jsou drahé na to, co dělají. Ultrazvukové senzory (také známé jako ultrazvukové senzory přiblížení nebo sonar pro geeky) provádějí oba tyto úkoly za rozumnou cenu a výjimečnou přesnost. Rozsah je od 3 cm do 350 cm s přesností ~ 3 mm. Vázáním jednoho z těchto ultrazvukových senzorů do našeho robota může fungovat jako vyhýbač překážek i jako senzor pro měření vzdálenosti.

„Ultrazvukový“zvuk označuje cokoli nad frekvencemi slyšitelného zvuku a nominálně zahrnuje cokoli přes 20 000 Hz nebo 20 kHz! Nenákladné ultrazvukové senzory používané pro robotiku obecně pracují v rozsahu 40 kHz až 250 kHz, zatímco senzory používané v lékařských zařízeních dosahují až 10 MHz.

Krok 3: Potřebné nástroje

1. Multimetr
2. Prkénko
3. Jehlové kleště
4. Odizolovávač drátu
5. Štípačky
6. Tavná pistole

Multimetr Multimetr je vlastně jednoduché zařízení, které se používá především k měření napětí a odporu a k určení, zda je obvod uzavřen. Podobně jako při ladění počítačového kódu vám multimetr pomáhá „ladit“vaše elektronické obvody.

Stavební materiál

Velmi užitečná je snadno dostupná dodávka tenkého dřeva a/nebo plexiskla pro výrobu mechanického rámu. Kovy, jako je hliník a ocel, jsou často omezeny na ty, které mají přístup do strojírny, ačkoli tenký hliník lze řezat nůžkami a ohýbat ručně. Mechanické rámy lze dokonce postavit z předmětů pro domácnost, jako jsou plastové nádoby.

Ačkoli jsou možné i jiné materiály, jako jsou plasty (kromě plexiskla), nebo exotičtější materiály, jako jsou sklolaminát a uhlíková vlákna, nebudou v této příručce brány v úvahu. Několik výrobců poznamenalo, že pro většinu fandů není snadné vyrábět vlastní mechanické díly a vytvořili modulární mechanické díly. Lídrem v této oblasti je Lynxmotion, který nabízí širokou škálu robotických konstrukcí a také díly potřebné k výrobě vlastních robotů.

Ruční nářadí

Jsou nutné šroubováky a kleště různých typů a velikostí (včetně sady nástrojů pro klenotníky: malé šroubováky běžně dostupné v dolarových obchodech). Důležitá je také vrtačka (nejlépe vrtačka pro přímé otvory). Ruční pila na řezání stavebních materiálů (nebo router) je také důležitým přínosem. Pokud to rozpočet dovolí, malá stolní pásová pila (rozsah 200 $) je rozhodně nástrojem, který je třeba zvážit.

Nepájivá prkénka

Bezpájitelný prkénko vám umožní optimalizovat rozvržení a snadno připojit komponenty. Spolu s nepájivou deskou byste si měli zakoupit předem vytvořenou sadu propojovacích drátů, která se skládá z předem nařezaných a ohnutých drátů určených k použití s nepájivou deskou. Díky tomu je připojení velmi snadné.

Sada malých šroubováků

Tyto malé šroubováky jsou nutné při práci s elektronikou. Nenuťte je však příliš - jejich velikost je činí křehčími.

Běžná sada šroubováků

Všechny dílny potřebují více nástrojů nebo sadu nástrojů, která obsahuje ploché / křížové a jiné hlavy šroubováků.

Jehlové kleště

sada jehlových kleští je neuvěřitelně užitečná při práci s malými součástmi a díly a je velmi levným doplňkem vaší sady nástrojů. Liší se od běžných kleští, protože přicházejí do bodu, který se může dostat do malých oblastí.

Odstraňovače/řezačky drátu

Plánujete přestřihnout jakékoli dráty, odizolovač vám ušetří značný čas a úsilí. Při správném používání odstraňovač drátu odstraní pouze izolaci kabelu a nezpůsobí zalomení nebo poškození vodičů. Druhou alternativou k odizolování drátu jsou nůžky, i když konečný výsledek může být chaotický. Nůžky, pravítko, pero, značkovací tužka, přesný nůž (nebo jiný ruční řezací nástroj) To jsou základní věci v každé kanceláři.

Krok 4: Pojmy pro kódování AVR

Výpočet rychlosti zvuku vzhledem k ultrazvukovým senzorům

Trochu matematiky, ale nebojte se. Je to jednodušší, než si myslíte.

Rychlost zvuku v suchém vzduchu při pokojové teplotě (~ 20 ° C) = 343 metrů za sekundu

Aby zvuková vlna zasáhla a provedla zpáteční cestu k blízkému objektu, je = 343/2 = 171,5 m/, protože maximální dosah levného ultrazvukového senzoru není větší než 5 metrů (zpáteční), bylo by rozumnější změňte jednotky na centimetry a mikrosekundy.

1 metr = 100 centimetrů 1 sekunda = 10^6 mikrosekund = (s/171,5) x (m/100 cm) x ((1x10^6)/s) = (1/171,5) x (1/100) x (1000000/ 1) = 58,30903790087464 us/cm = 58,31 us/cm (zaokrouhlení na dvě číslice pro snazší výpočty)Proto doba potřebná k tomu, aby se pulz dostal k předmětu a odrazil se o 1 centimetr, je 58,31 mikrosekundy.

malé pozadí hodinových cyklů AVR

Pochopení hodinových cyklů AVR vyžaduje úplně jinou kapitolu, ale stručně porozumíme tomu, jak funguje, aby byly naše výpočty jednodušší

Pro náš příklad použijeme desku AVR Draco, která má 8bitový mikrokontrolér AVR-Atmega328P. Aby to bylo jednoduché, nebudeme upravovat nastavení mikrokontroléru. Nedotkly se žádné pojistky; Není připojen žádný externí krystal; Žádná bolest hlavy. V továrním nastavení běží na interním 8MHz oscilátoru s a /8 prescalerem; Pokud tomu všemu nerozumíte, jednoduše to znamená, že mikrokontrolér běží na interním RC oscilátoru 1MHz a každý hodinový cyklus trvá 1 mikrosekundu.

1 2 1MHz = z 10 000 000 cyklů za sekundu Proto 1 s/10 000 000 = 1/10 000 000 = 1us

Hodiny AVR a převod na vzdálenost

Už tam skoro jsme! Jakmile víme, jak převést cykly hodin AVR na vzdálenost ujetou zvukovými vlnami, je implementace logiky do programu snadná.

Víme, že rychlost ultrazvukového zvuku v ideálním prostředí je: 58,31 us/cm

Víme, že rozlišení mikrokontroléru AVR je 1us/hodinový cyklus (CLK)

Proto vzdálenost ujetá zvukem za hodinový cyklus (CLK) je:

1 2 3 = (58,31 us/ cm) x (1us/ clk) = 58,31 hodinových cyklů/ cm nebo = 1/ 58,31 cm/ clk

Je -li znám počet hodinových cyklů, které zvuk potřebuje k cestování a odrazu, můžeme vzdálenost snadno vypočítat. Pokud například senzoru trvá 1 000 hodinových cyklů, aby se mohl pohybovat a odrážet, pak je vzdálenost od senzoru k nejbližšímu objektu = 1000/58,31 = 17,15 cm (přibližně)

Dává teď všechno smysl? Ne? Přečti si to znovu

Pokud máte jasno v celé výše uvedené logice, implementujeme ji do scénáře reálného světa připojením levného ultrazvukového senzoru HC-SR04 k naší desce AVR Arduino.

Krok 5: Hardwarová připojení:

Arduino Board usnadňuje připojení jakýchkoli externích senzorů a také zobrazení výsledků na LCD. Pro snímání ultrazvukového rozsahu používáme levný modul HC-SR04. Modul má 4 piny, které lze připojit k desce mikrokontroléru: VCC, TRIG, ECHO a GND.

Připojte pin VCC k 5V a pin GND k zemi na desce Arduino.

Pin TRIG a ECHO lze připojit k jakýmkoli dostupným pinům na desce. Odeslání minimálně 10us „vysokého“signálu na spouštěcí pin odešle osm zvukových vln 40 kHz a vytáhne pin ozvěny vysoko. Pokud se zvuk odrazí od blízkého předmětu a vrátí se, je zachycen přijímacím převodníkem a echo pin je vytažen „nízko“.

Jiné varianty modulů ultrazvukových senzorů jsou také k dispozici pouze se 3 kolíky. Princip práce je stále stejný, ale funkce spouště a ozvěny jsou spojeny do jednoho kolíku.

Po připojení lze spouště a ozvěny konfigurovat pomocí softwaru. Aby byl tento příklad jednoduchý, nebudeme v tomto příkladu používat žádné kolíky přerušení (nebo Pin pro zachycení vstupu). Pokud nepoužíváme určené piny přerušení, dává nám to také svobodu připojit modul k jakýmkoli dostupným kolíkům na desce.

Krok 6: Kód

Kód Níže uvedený kód obsahuje pouze „ultrazvukové“rozšíření řízení stejnosměrného motoru pomocí H-můstku z předchozího článku. Když robot detekuje překážku před sebou, otočí se (náhodný stupeň) a pokračuje v pohybu vpřed. Tuto funkci lze snadno rozšířit, aby se stále otáčelo a detekovalo překážky současně - robot by se tedy neotáčel náhodně, ale začal by se pohybovat vpřed, pouze pokud není detekován žádný předmět.

Vysvětlení kódu viz YouTube video uvedené na kanálu.

Krok 7: Video

Podívejte se na video s celým procesem.