Uradi sam zidni robot: 9 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:33

U ovom Instructableu objasnit ćemo kako dizajnirati sustav za otkrivanje i izbjegavanje prepreka koristeći GreenPAK ™ zajedno s nekoliko vanjskih ultrazvučnih i infracrvenih (IR) senzora. Ovaj će dizajn uvesti neke teme koje su potrebne za autonomne i umjetno inteligentne robotske sustave.

U nastavku smo opisali korake potrebne za razumijevanje načina na koji je rješenje programirano za izradu zida nakon robota. Međutim, ako samo želite dobiti rezultat programiranja, preuzmite GreenPAK softver da biste vidjeli već dovršenu datoteku za dizajn GreenPAK. Priključite GreenPAK Development Kit na svoje računalo i pritisnite program za stvaranje zida nakon robota.

Korak 1: Izjava o problemu

Nedavno je obnovljen interes za umjetnu inteligenciju, a velik dio tog interesa usmjeren je prema potpuno autonomnim i inteligentnim strojevima. Takvi roboti mogu minimizirati ljudsku odgovornost i proširiti automatizaciju na područja poput javnih službi i obrane. Istraživači umjetne inteligencije pokušavaju automatizirati usluge poput gašenja požara, medicinske njege, upravljanja katastrofama i spašavanja života putem autonomnih robotskih vozila. Jedan izazov koji ova vozila moraju prevladati je kako uspješno otkriti i izbjeći prepreke poput ruševina, požara, zamki itd.

Korak 2: Pojedinosti implementacije

U ovom Instructableu koristit ćemo ultrazvučni senzor, par IC senzora za otkrivanje prepreka, krug pogonskog sklopa motora (L298N), četiri istosmjerna motora, kotače, kostur automobila s pogonom na sva četiri kotača i čip GreenPAK SLG46620V.

Digitalni izlazni pin kontrolera GreenPAK koristi se za aktiviranje ultrazvučnog senzora (poznatog i kao sonar), a digitalni ulazni pin koristi se za prikupljanje rezultirajućeg odjeka s prepreka ispred za analizu. Također se promatra izlaz IC senzora za otkrivanje prepreka. Nakon primjene niza uvjeta, ako je prepreka preblizu, motori (spojeni na svaki od 4 kotača) podešavaju se kako bi se izbjegao sudar.

Korak 3: Objašnjenje

Autonomni robot za izbjegavanje prepreka mora biti sposoban otkriti prepreke i izbjeći sudar. Dizajn takvog robota zahtijeva integraciju različitih senzora, poput senzora udara, infracrvenih senzora, ultrazvučnih senzora itd. Ugradnjom ovih senzora na robota može doći do informacija o okolici. Ultrazvučni senzor prikladan je za otkrivanje prepreka za autonomnog robota koji se sporo kreće, jer ima niske cijene i relativno velik domet.

Ultrazvučni senzor detektira objekte emitiranjem kratkog ultrazvučnog rafala, a zatim osluškuje jeku. Pod kontrolom glavnog mikrokontrolera, senzor emitira kratki impuls od 40 kHz. Ovaj impuls putuje zrakom sve dok ne udari u objekt, a zatim se reflektira natrag do senzora. Senzor daje izlazni signal domaćinu koji se prekida kada se otkrije odjek. Na taj se način širina vraćenog impulsa koristi za izračunavanje udaljenosti do objekta.

Ovo robotsko vozilo za izbjegavanje prepreka koristi ultrazvučni senzor za otkrivanje objekata na svojoj putanji. Motori su spojeni preko IC upravljačkog programa motora na GreenPAK. Ultrazvučni senzor pričvršćen je na prednju stranu robota, a dva IR senzora za otkrivanje prepreka pričvršćena su s lijeve i desne strane robota za otkrivanje bočnih prepreka.

Dok se robot kreće na željenoj putanji, ultrazvučni senzor kontinuirano prenosi ultrazvučne valove. Kad god je prepreka ispred robota, ultrazvučni valovi se odbijaju od prepreke, a te se informacije prosljeđuju GreenPAK -u. Istodobno, IR senzori emitiraju i primaju IC valove. Nakon tumačenja ulaza s ultrazvučnih i infracrvenih senzora, GreenPAK upravlja motorima za svaki od četiri kotača.

Korak 4: Opis algoritma

Prilikom pokretanja, četiri motora se uključuju istovremeno, zbog čega se robot kreće prema naprijed. Zatim, ultrazvučni senzor u redovitim intervalima šalje impulse s prednje strane robota. Ako postoji prepreka, zvučni se impulsi reflektiraju i senzor ih detektira. Odraz impulsa ovisi o fizičkom stanju prepreke: ako je nepravilnog oblika, reflektirani impulsi bit će manji; ako je ujednačen, tada će se većina prenesenih impulsa reflektirati. Odraz također ovisi o smjeru prepreke. Ako je blago nagnut ili postavljen paralelno sa senzorom, većina zvučnih valova će proći nereflektirani.

Kada se uoči prepreka ispred robota, tada se promatraju bočni izlazi s IR senzora. Ako se s desne strane uoči prepreka, gume robota s lijeve strane se onemogućuju zbog čega se okreće prema lijevoj strani i obrnuto. Ako se prepreka ne otkrije, algoritam se ponavlja. Dijagram toka prikazan je na slici 2.

Korak 5: Ultrazvučni senzor HC-SR04

Ultrazvučni senzor je uređaj koji može mjeriti udaljenost do objekta pomoću zvučnih valova. Mjeri udaljenost tako što šalje zvučni val na određenoj frekvenciji i osluškuje da se zvučni val odbije unatrag. Snimanjem proteklog vremena između generiranog zvučnog vala i odbijanja zvučnog vala moguće je izračunati udaljenost između senzora sonara i objekta. Zvuk putuje zrakom oko 344 m/s (1129 ft/s), pa možete izračunati udaljenost do objekta pomoću formule 1.

Ultrazvučni senzor HC-SR04 sastoji se od četiri pina: Vdd, GND, Trigger i Echo. Kad god se impuls iz regulatora primijeni na okidač, senzor emitira ultrazvučni val iz "zvučnika". "Prijemnik" detektira odbijene valove i prenosi ih natrag u upravljač preko Echo pina. Što je udaljenost između senzora i prepreke veća, to će puls na Echo pinu biti duži. Puls ostaje uključen onoliko vremena koliko je potrebno da impuls sonara prijeđe iz senzora i vrati se natrag, podijeljen s dva. Kada se sonar aktivira, uključuje se interni mjerač vremena i nastavlja se dok se ne otkrije reflektirani val. Ovo se vrijeme zatim dijeli s dva jer je stvarno vrijeme potrebno zvučnom valu da dosegne prepreku bilo pola vremena uključenog mjerača vremena.

Rad ultrazvučnog senzora prikazan je na slici 4.

Da biste generirali ultrazvučni impuls, morate okidač postaviti na VISOKO stanje za 10μs. To će poslati zvučni prasak od 8 ciklusa, koji će se odraziti od bilo koje prepreke ispred uređaja i primiti ga senzor. Echo pin će prikazati vrijeme (u mikrosekundama) koje je zvučni val prešao.

Korak 6: Modul senzora infracrvenog otkrivanja prepreka

Poput ultrazvučnog senzora, osnovni koncept infracrvene (IR) detekcije prepreka je odašiljanje IC signala (u obliku zračenja) i promatranje njegove refleksije. Modul IC senzora prikazan je na slici 6.

Značajke

• Na ploči se nalazi svjetlosni pokazivač prepreka
• Digitalni izlazni signal
• Udaljenost otkrivanja: 2 ~ 30 cm
• Kut detekcije: 35 °
• Usporedni čip: LM393
• Podesivi raspon udaljenosti otkrivanja putem potenciometra:

○ U smjeru kazaljke na satu: Povećajte udaljenost otkrivanja

○ U smjeru suprotnom od kazaljke na satu: Smanjite udaljenost otkrivanja

Tehnički podaci

• Radni napon: 3 - 5 V DC
• Vrsta izlaza: Digitalni prekidački izlaz (0 i 1)
• 3 mm rupe za vijke za jednostavnu montažu
• Veličina daske: 3,2 x 1,4 cm

Opis kontrolnog indikatora opisan u tablici 1.

Korak 7: Krug upravljačkog programa motora L298N

Krug pokretača motora ili H-most koristi se za kontrolu brzine i smjera istosmjernih motora. Ima dva ulaza koji moraju biti spojeni na zasebni izvor istosmjerne struje (motori vuku jaku struju i ne mogu se napajati izravno iz regulatora), dva seta izlaza za svaki motor (pozitivni i negativni), dva omogućavajuća pina za svaki skup izlaza i dva seta pinova za kontrolu smjera svakog izlaza motora (dva pina za svaki motor). Ako dva krajnja lijeva pina dobiju logičke razine HIGH za jedan pin i LOW za drugi, motor spojen na lijevu utičnicu rotirat će se u jednom smjeru, a ako je slijed logike obrnut (LOW i HIGH), motori će se okrenuti u suprotnom smjeru. Isto se odnosi na krajnje desne igle i desni izlazni motor. Ako oba pina u paru dobiju logičke razine VISOKA ili NISKA, motori će se zaustaviti.

Ovaj dvosmjerni upravljački program motora temelji se na vrlo popularnoj IC upravljačkoj jedinici motora s dvostrukim mostom L298. Ovaj modul omogućuje vam jednostavno i neovisno upravljanje s dva motora u oba smjera. Za upravljanje koristi standardne logičke signale, a može pokretati dvofazne koračne motore, četverofazne koračne motore i dvofazne istosmjerne motore. Ima kondenzator filtra i diodu slobodnog hoda koja štiti uređaje u krugu od oštećenja obrnutom strujom induktivnog opterećenja, povećavajući pouzdanost. L298 ima upravljački napon 5-35 V i logičku razinu 5 V.

Funkcija pokretača motora opisana je u tablici 2.

Blok dijagram koji prikazuje veze između ultrazvučnog senzora, upravljačkog programa motora i GPAK čipa prikazan je na slici 8.

Korak 8: GreenPAK dizajn

U Matrici 0, ulaz okidača za senzor generiran je pomoću CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 i oscilatora. Ulaz s Echo pina ultrazvučnog senzora očitava se pomoću Pin3. Tri ulaza primjenjuju se na 3-bitni LUT0: jedan iz odjeka, drugi iz okidača, a treći to je ulaz okidača odgođen za 30 nas. Izlaz iz ove tablice pretraživanja koristi se u Matrici 1. Izlaz iz IC senzora također se uzima u Matrici 0.

U Matrici 1, priključci P1 i P6 ILI su spojeni ili spojeni na Pin17, koji je spojen na Pin1 upravljačkog programa motora. Pin18 je uvijek na niskoj logičkoj vrijednosti i povezan je s Pin2 upravljačkog programa motora. Isto tako, priključci P2 i P7 ILI bi bili spojeni zajedno i povezani na GreenPAK -ov Pin20, koji je priključen na P3 kruga upravljačkog programa motora. Pin19 je spojen na Pin4 upravljačkog programa motora i uvijek je na logičkoj LOW.

Kad je Echo pin VISOK, to znači da se objekt nalazi ispred robota. Robot tada provjerava ima li lijeve i desne prepreke od IC senzora. Ako je prepreka prisutna i na desnoj strani robota, tada skreće ulijevo, a ako je prepreka prisutna na lijevoj strani, skreće udesno. Na taj način robot izbjegava prepreke i kreće se bez sudara.

Zaključak

U ovom Instructableu stvorili smo jednostavno vozilo za automatsko otkrivanje i izbjegavanje prepreka koristeći GreenPAK SLG46620V kao glavni upravljački element. S nekim dodatnim strujnim krugovima, ovaj bi se dizajn mogao poboljšati za obavljanje drugih zadataka, poput pronalaženja puta do određene točke, algoritma za rješavanje labirinta, algoritma koji slijedi linije itd.

Korak 9: Slike hardvera