DIY robot sledujúci stenu: 9 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

V tomto návode vysvetlíme, ako navrhnúť systém detekcie a vyhýbania sa prekážkam pomocou systému GreenPAK ™ spolu s niekoľkými externými ultrazvukovými a infračervenými (IR) snímačmi. Tento návrh predstaví niektoré témy, ktoré sú potrebné pre autonómne a umelo inteligentné robotické systémy.

Ďalej sme popísali kroky potrebné na pochopenie toho, ako bolo riešenie naprogramované na vytvorenie robota nasledujúceho po stene. Ak však chcete získať iba výsledok programovania, stiahnite si softvér GreenPAK a zobrazte už dokončený súbor návrhu GreenPAK. Pripojte vývojovú súpravu GreenPAK k počítaču a spustením programu vytvorte robot nasledujúceho po stene.

Krok 1: Vyhlásenie o probléme

Nedávno bol obnovený záujem o umelú inteligenciu a veľká časť tohto záujmu je zameraná na plne autonómne a inteligentné stroje. Také roboty môžu minimalizovať ľudskú zodpovednosť a rozšíriť automatizáciu v oblastiach, ako sú civilné služby a obrana. Vedci z oblasti umelej inteligencie sa pokúšajú automatizovať služby, ako sú hasenie požiarov, lekárska starostlivosť, zvládanie katastrof a záchranné služby, prostredníctvom autonómnych robotických vozidiel. Jednou z výziev, ktoré tieto vozidlá musia prekonať, je, ako úspešne detekovať a vyhýbať sa prekážkam, ako sú suť, oheň, nástrahy atď.

Krok 2: Podrobnosti o implementácii

V tomto návode budeme používať ultrazvukový senzor, dvojicu senzorov detekcie prekážok IR, obvod vodiča motora (L298N), štyri jednosmerné motory, kolesá, kostru automobilu s pohonom všetkých štyroch kolies a čip GreenPAK SLG46620V.

Digitálny výstupný kolík ovládača GreenPAK sa používa na spustenie ultrazvukového senzora (alias sonar) a digitálny vstupný kolík sa používa na zber výslednej ozveny od prekážok, ktoré sú pred nami, na analýzu. Pozoruje sa aj výstup infračerveného senzora detekcie prekážok. Po použití sady podmienok, ak je prekážka príliš blízko, sú motory (spojené s každým zo 4 kolies) nastavené tak, aby sa zabránilo kolízii.

Krok 3: Vysvetlenie

Autonómny robot na vyhýbanie sa prekážkam musí byť schopný detekovať prekážky a vyhýbať sa kolíziám. Konštrukcia takého robota vyžaduje integráciu rôznych senzorov, ako sú nárazové senzory, infračervené senzory, ultrazvukové senzory atď. Inštaláciou týchto senzorov na robota môže získať informácie o okolí. Ultrazvukový senzor je vhodný na detekciu prekážok pre pomaly sa pohybujúceho autonómneho robota, pretože má nízke náklady a relatívne vysoký dosah.

Ultrazvukový senzor detekuje objekty tak, že vydá krátku ultrazvukovú dávku a potom počúva ozvenu. Senzor riadený hostiteľským mikrokontrolérom vysiela krátky 40 kHz impulz. Tento impulz cestuje vzduchom, kým nenarazí na predmet, a potom sa odrazí späť k senzoru. Senzor poskytuje hostiteľovi výstupný signál, ktorý sa skončí, keď je detekovaná ozvena. Šírka vráteného impulzu sa tak použije na výpočet vzdialenosti k objektu.

Toto robotické vozidlo na vyhýbanie sa prekážkam používa na detekciu predmetov v ceste ultrazvukový senzor. Motory sú pripojené prostredníctvom integrovaného obvodu vodiča motora k systému GreenPAK. Ultrazvukový senzor je pripevnený k prednej časti robota a dva senzory detekcie prekážok IR sú umiestnené na ľavej a pravej strane robota, aby detekovali bočné prekážky.

Keď sa robot pohybuje po požadovanej dráhe, ultrazvukový snímač nepretržite vysiela ultrazvukové vlny. Kedykoľvek je pred robotom prekážka, ultrazvukové vlny sa od prekážky odrazia a tieto informácie sa odošlú do zariadenia GreenPAK. Infračervené senzory súčasne vysielajú a prijímajú infračervené vlny. Po interpretácii vstupov z ultrazvukových a IR senzorov GreenPAK riadi motory pre každé zo štyroch kolies.

Krok 4: Popis algoritmu

Pri štarte sa súčasne zapnú štyri motory, čo spôsobí, že sa robot pohne dopredu. Ďalej ultrazvukový senzor vysiela v pravidelných intervaloch impulzy z prednej časti robota. Ak je prítomná prekážka, zvukové impulzy sa odrazia a sú detekované snímačom. Odraz impulzov závisí od fyzického stavu prekážky: ak má nepravidelný tvar, odrazených impulzov bude menej; ak je rovnomerný, potom sa väčšina prenášaných impulzov odrazí. Odraz závisí aj od smeru prekážky. Ak je mierne naklonený alebo umiestnený paralelne so senzorom, väčšina zvukových vĺn prejde bez odrazu.

Keď je pred robotom zistená prekážka, potom sú pozorované bočné výstupy z IR senzorov. Ak je na pravej strane zistená prekážka, pneumatiky na ľavej strane robota sa deaktivujú, čo spôsobí jeho otočenie doľava a naopak. Ak sa prekážka nezistí, algoritmus sa zopakuje. Vývojový diagram je znázornený na obrázku 2.

Krok 5: Ultrazvukový snímač HC-SR04

Ultrazvukový senzor je zariadenie, ktoré dokáže merať vzdialenosť k objektu pomocou zvukových vĺn. Meria vzdialenosť odoslaním zvukovej vlny na konkrétnej frekvencii a počúvaním, aby sa zvuková vlna odrazila. Zaznamenaním uplynutého času medzi generovanou zvukovou vlnou a odrazom zvukovej vlny je možné vypočítať vzdialenosť medzi snímačom sonaru a objektom. Zvuk sa šíri vzduchom rýchlosťou asi 344 m/s (1129 ft/s), takže vzdialenosť od objektu môžete vypočítať podľa vzorca 1.

Ultrazvukový senzor HC-SR04 sa skladá zo štyroch pinov: Vdd, GND, Trigger a Echo. Kedykoľvek je na kolík spúšte aplikovaný impulz z ovládača, senzor vydá z „reproduktora“ultrazvukovú vlnu. Odrazené vlny sú detekované „prijímačom“a sú prenášané späť do ovládača prostredníctvom kolíka Echo. Čím dlhšia je vzdialenosť medzi snímačom a prekážkou, tým dlhší bude impulz na kolíku Echo. Pulz zostane zapnutý po dobu, po ktorú sonarový pulz prejde zo senzora a vráti sa späť, delený dvoma. Po spustení sonaru sa spustí interný časovač, ktorý pokračuje, kým sa nezistí odrazená vlna. Tento čas je potom vydelený dvoma, pretože skutočný čas, ktorý zvuková vlna potrebovala na dosiahnutie prekážky, bol polovičný v porovnaní so zapnutým časovačom.

Činnosť ultrazvukového senzora je znázornená na obrázku 4.

Aby ste mohli generovať ultrazvukový pulz, musíte nastaviť spúšťač na HIGH stav na 10 μs. To vyšle 8-taktový zvukový impulz, ktorý sa bude odrážať od akejkoľvek prekážky pred zariadením a bude zachytený snímačom. Pin Echo bude zobrazovať čas (v mikrosekundách), ktorý zvuková vlna prešla.

Krok 6: Modul snímača infračervenej prekážky

Rovnako ako ultrazvukový senzor, základným konceptom infračervenej (IR) detekcie prekážok je prenos infračerveného signálu (vo forme žiarenia) a pozorovanie jeho odrazu. Modul infračerveného senzora je znázornený na obrázku 6.

Vlastnosti

• Na doske plošných spojov je kontrolka prekážky
• Digitálny výstupný signál
• Detekčná vzdialenosť: 2 ~ 30 cm
• Detekčný uhol: 35 °
• Komparačný čip: LM393
• Nastaviteľný rozsah detekčnej vzdialenosti pomocou potenciometra:

○ V smere hodinových ručičiek: Zvýšte detekčnú vzdialenosť

○ Proti smeru hodinových ručičiek: Znížte detekčnú vzdialenosť

technické údaje

• Pracovné napätie: 3 - 5 V DC
• Typ výstupu: Digitálny spínací výstup (0 a 1)
• 3 mm otvory pre skrutky pre jednoduchú montáž
• Rozmer dosky: 3,2 x 1,4 cm

Kontrolný indikátor Popis popísaný v tabuľke 1.

Krok 7: Obvod ovládača motora L298N

Okruh ovládača motora alebo H-mostík sa používa na ovládanie rýchlosti a smeru jednosmerných motorov. Má dva vstupy, ktoré musia byť pripojené k oddelenému zdroju jednosmerného prúdu (motory odoberajú silný prúd a nemožno ich napájať priamo z regulátora), dve sady výstupov pre každý motor (kladný a záporný), dva aktivačné kolíky pre každý sada výstupov a dve sady kolíkov na ovládanie smeru každého výstupu motora (dva kolíky pre každý motor). Ak majú dva piny úplne vľavo logické úrovne HIGH pre jeden kolík a LOW pre druhý, motor pripojený k ľavému vývodu sa bude otáčať v jednom smere a ak je postupnosť logiky obrátená (LOW a HIGH), motory sa budú otáčať v opačnom smere. To isté platí pre kolíky úplne vpravo a výstupný motor vpravo. Ak majú obidva piny v páre logické úrovne HIGH alebo LOW, motory sa zastavia.

Tento dvojsmerný ovládač motora je založený na veľmi obľúbenom integrovanom obvode motora L298 Dual H-Bridge Motor Driver. Tento modul vám umožňuje ľahko a nezávisle ovládať dva motory v oboch smeroch. Na ovládanie používa štandardné logické signály a môže poháňať dvojfázové krokové motory, štvorfázové krokové motory a dvojfázové jednosmerné motory. Má filtračný kondenzátor a voľnobežnú diódu, ktorá chráni zariadenia v obvode pred poškodením spätným prúdom indukčnej záťaže, čo zvyšuje spoľahlivosť. L298 má budiace napätie 5-35 V a logickú úroveň 5 V.

Funkcia ovládača motora je popísaná v tabuľke 2.

Blokový diagram znázorňujúci spojenia medzi ultrazvukovým snímačom, ovládačom motora a čipom GPAK je znázornený na obrázku 8.

Krok 8: GreenPAK Design

V matici 0 bol spúšťací vstup pre senzor generovaný pomocou CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 a oscilátora. Vstup z kolíka Echo ultrazvukového senzora sa číta pomocou Pin3. Tri vstupy sú aplikované na 3-bitový LUT0: jeden z Echo, druhý z Triggeru a tretí, čo je vstup Triggeru oneskorený o 30 us. Výstup z tejto vyhľadávacej tabuľky je použitý v matici 1. Výstup z infračervených senzorov je tiež zaznamenaný v matici 0.

V Matrixe 1 sú porty P1 a P6 navzájom spojené a spojené s kolíkom 17, ktorý je pripojený k kolíku 1 ovládača motora. Pin18 je vždy na logickej úrovni LOW a je pripojený na Pin2 ovládača motora. Rovnako porty P2 a P7 sú ALEBO spojené a spojené s pinom GreenPAK Pin20, ktorý je pripojený k P3 obvodu ovládača motora. Kolík 19 je pripojený k kolíku 4 ovládača motora a je vždy na logickej úrovni LOW.

Keď je kolík Echo HIGH, znamená to, že pred robotom je predmet. Robot potom skontroluje, či nie sú vľavo a vpravo prekážky z IR senzorov. Ak je na pravej strane robota aj prekážka, odbočí doľava a ak je prekážka na ľavej strane, odbočí doprava. Robot sa týmto spôsobom vyhýba prekážkam a pohybuje sa bez kolízií.

Záver

V tomto návode sme vytvorili jednoduché automatické vozidlo na detekciu prekážok a vyhýbanie sa prekážkam s použitím GreenPAK SLG46620V ako hlavného ovládacieho prvku. Vďaka niektorým ďalším obvodom je možné tento návrh vylepšiť tak, aby vykonával ďalšie úlohy, ako je hľadanie cesty k určitému bodu, algoritmus na riešenie bludísk, algoritmus na sledovanie riadkov atď.

Krok 9: Obrázky hardvéru