Ultrazvukový vyhýbací robot pomocou Arduina: 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

V tomto návode vám ukážem, ako si vyrobiť vlastného robota vyhýbajúceho sa prekážkam! Použijeme dosku Arduino UNO a ultrazvukový senzor. Ak robot detekuje predmet pred sebou, pomocou malého servomotora naskenuje oblasť vľavo a vpravo, aby našiel najlepší spôsob otáčania. Má tiež notifikačnú LED diódu, bzučiak na spustenie tónu pri detekcii objektu a tlačidlo na zmenu funkcie robota (zastavenie/pohyb vpred).

Je to veľmi jednoduché!

Krok 1: Veci, ktoré je potrebné vyrobiť

Na tento projekt budete potrebovať:

1. Arduino UNO (kúpiť na Gearbest.com)
2. Mini breadboard (kúpte si ho na Gearbest.com)
3. Modul ovládača motora L298 (kúpiť na Gearbest.com)
4. 2x jednosmerný motor s kolesami Ultrazvukový senzor HC-SR04 (kúpiť na Gearbest.com)
5. Mikromotor (kúpte si ho na Gearbest.com)
6. Tlačidlo Červená LED rezistor 220 Ohm Držiak batérie 9V (s napájacím konektorom alebo bez neho)
7. 8 medzier (muž-žena),
8. 8 matíc a 8 skrutiek, budete potrebovať aj jednu veľkú (kovovú)

kancelárska sponka a korálka na výrobu zadného podporného kolesa.

Na základňu robota som použil Acryllic Chasis od Aliexpress. Môžete tiež použiť kus dreva alebo kovu (alebo dve elektrické platne).

Náklady na celý projekt sú asi 20 dolárov

Pomôcky: Vŕtačka super lepidlo posádka lepidlo horúca pištoľ (voliteľné) Výkon:

Na napájanie nášho robota použijeme 9V batériu, pretože je malá a lacná, ale nie je veľmi výkonná a asi po jednej hodine bude prázdna. Zvážte, či chcete používať nabíjateľnú batériu (min. 6 V, max. 7 V), ktorá bude výkonnejšia, ale bude aj drahšia a väčšia ako 9 V batéria. Prihlásiť sa k odberu Náš kanál YouTube Kliknite sem

Krok 2: Pochopenie konceptov

Cieľom je, aby si robot uvedomil prekážky pred sebou, aby mohol zmeniť smer a vyhnúť sa im. V predchádzajúcom článku sme urobili pohyb robota - teraz mu dáme určitú autonómiu.

Ultrazvukový senzor

HC-SR04 je obvod schopný merať vzdialenosť k predmetom až 4 metre pomocou ultrazvukových vĺn. Posiela ping (ako ponorka) a meria čas (v mikrosekundách) medzi odoslaním a prijatím čohokoľvek späť. Tento čas sa potom vydelí 2, keď vlna postupuje tam a späť. Potom rozdeľte číslo 29 na vzdialenosť v centimetroch (alebo 74 v palcoch), pretože zvuk sa šíri 29,4 µs na centimeter (340 m/s). Senzor je veľmi presný s toleranciou ~ 3 mm a ľahko sa integruje s Arduino.

Prepojenie ultrazvukového senzora s mikrokontrolérom AVR

Každý autonómny robot by mal mať vyhýbanie sa prekážkam a pripojený snímač merania vzdialenosti. Dvojica IR transceiverov alebo snímač v odtieňoch sivej môže ľahko pracovať na detekcii prekážok v rozsahu 1 cm-10 cm. IR diaľkomery (napríklad ostré) môžu merať vzdialenosť k najbližšej prekážke s dosahom až 100 cm. IR senzory sú však ovplyvnené slnečným žiarením a inými svetelnými zdrojmi. IR diaľkomery majú menší dosah a sú aj drahé na to, čo robia. Ultrazvukové senzory (tiež známe ako ultrazvukové senzory priblíženia alebo sonar pre geekov) vykonávajú obe tieto úlohy za rozumnú cenu a výnimočnú presnosť. Rozsah je od 3 cm do 350 cm s presnosťou ~ 3 mm. Pripojenie jedného z týchto ultrazvukových senzorov k nášmu robotu môže fungovať ako vyhýbač prekážok aj ako snímač vzdialenosti.

„Ultrazvukový“zvuk označuje čokoľvek, čo presahuje frekvencie počuteľného zvuku a nominálne zahŕňa čokoľvek nad 20 000 Hz alebo 20 kHz! Lacné ultrazvukové senzory používané v robotike spravidla pracujú v rozsahu 40 kHz až 250 kHz, zatiaľ čo senzory používané v zdravotníckych pomôckach dosahujú až 10 MHz.

Krok 3: Potrebné nástroje

1. Multimetr
2. Breadboard
3. Ihlové kliešte na nos
4. Odizolovač drôtu
5. Drôtová rezačka
6. Lepiaca pištoľ

Multimetr Multimetr je vlastne jednoduché zariadenie, ktoré sa používa predovšetkým na meranie napätia a odporu a na určenie, či je obvod uzavretý. Multimeter, podobný ladeniu počítačového kódu, vám pomôže „odladiť“vaše elektronické obvody.

Stavebné materiály

Ľahko dostupná dodávka tenkého dreva a/alebo plexiskla na výrobu mechanického rámu je veľmi užitočná. Kovy ako hliník a oceľ sú často obmedzené na tie, ktoré majú prístup do strojárne, aj keď tenký hliník je možné rezať nožnicami a ohýbať ručne. Mechanické rámy je možné dokonca postaviť z domácich potrieb, ako sú plastové nádoby.

Aj keď sú možné aj iné materiály, ako sú plasty (okrem plexiskla), alebo exotickejšie materiály, ako sú sklenené vlákna a uhlíkové vlákna, v tejto príručke sa nebudú brať do úvahy. Niektorí výrobcovia poznamenali, že pre väčšinu domácich majstrov nie je ľahké vyrábať vlastné mechanické diely a vytvorili modulárne mechanické diely. Lídrom v tejto oblasti je Lynxmotion, ktorý ponúka široký sortiment robotických konštrukcií a diely potrebné na výrobu vlastných robotov.

Ručné nástroje

Skrutkovače a kliešte rôznych typov a veľkostí (vrátane klenotníckej sady nástrojov: malé skrutkovače bežne dostupné v dolárových obchodoch) sú nevyhnutné. Dôležitá je tiež vŕtačka (najlepšie vŕtačka pre rovné otvory). Ručná píla na rezanie stavebných materiálov (alebo router) je tiež dôležitým prínosom. Ak to rozpočet dovoľuje, malá stolová pásová píla (rozsah 200 dolárov) je určite nástrojom na zváženie.

Nepájkovateľná nepájivá doska

Bezpájkovacia doska umožňuje optimalizáciu rozloženia a jednoduché pripojenie komponentov. Spolu s nepájkovanou doskou by ste si mali kúpiť aj vopred vytvorenú súpravu prepojovacích drôtov, ktorá pozostáva z vopred narezaných a ohnutých drôtov určených na použitie s nespájkovanou doskou. Vďaka tomu je pripojenie veľmi jednoduché.

Sada malých skrutkovačov

Tieto malé skrutkovače sú nevyhnutné pri práci s elektronikou. Nenúťte ich však príliš, pretože ich veľkosť ich robí krehkejšími.

Bežná sada skrutkovačov

Všetky dielne potrebujú multifunkčné náradie alebo súpravu nástrojov, ktoré obsahujú ploché / krížové a iné skrutkovacie hlavy.

Ihlové kliešte na nos

sada ihlových klieští je veľmi užitočná pri práci s malými komponentmi a súčiastkami a je veľmi lacným doplnkom vašej sady nástrojov. Líšia sa od bežných klieští, pretože prichádzajú do bodu, ktorý sa môže dostať do malých oblastí.

Odizolovače/strihače drôtov

Plánujete prestrihať akékoľvek drôty, odizolovač vám ušetrí značný čas a námahu. Pri správnom použití odstráni odstraňovač drôtov iba izoláciu káblov a nespôsobí zalomenie alebo poškodenie vodičov. Ďalšou alternatívou k odstraňovaču drôtov sú nožnice, aj keď konečný výsledok môže byť chaotický. Nožnice, pravítko, pero, značkovacia ceruzka, presný nôž (alebo iný ručný rezací nástroj) To sú nevyhnutné položky v každej kancelárii.

Krok 4: Pojmy pre kódovanie AVR

Výpočet rýchlosti zvuku vzhľadom na ultrazvukové snímače

Trochu matematiky, ale nebojte sa. Je to jednoduchšie, ako si myslíte.

Rýchlosť zvuku v suchom vzduchu pri izbovej teplote (~ 20 ° C) = 343 metrov za sekundu

Aby zvuková vlna zasiahla a vykonala spiatočný pohyb k blízkemu objektu, je = 343/2 = 171,5 m/, pretože maximálny dosah lacného ultrazvukového senzora nie je väčší ako 5 metrov (spiatočný), bolo by zmysluplnejšie zmeňte jednotky na centimetre a mikrosekundy.

1 meter = 100 centimeter 1) = 58,30903790087464 us/cm = 58,31 us/cm (zaokrúhľuje sa na dve číslice, aby boli výpočty jednoduchšie)Preto čas potrebný na to, aby sa impulz dostal k objektu a odrazil sa o 1 centimeter, je 58,31 mikrosekundy.

malé pozadie na hodinových cykloch AVR

Na pochopenie hodinových cyklov AVR je potrebná úplne iná kapitola, ale stručne porozumieme, ako to funguje, aby boli naše výpočty jednoduchšie

V našom prípade použijeme dosku AVR Draco, ktorá má 8-bitový mikrokontrolér AVR-Atmega328P. Aby to nebolo jednoduché, nebudeme upravovať nastavenia mikrokontroléra. Nedotýkajte sa žiadnych poistkových bitov; Nie je pripojený žiadny vonkajší kryštál; Žiadna bolesť hlavy. V továrenských nastaveniach beží na vnútornom 8MHz oscilátore s predzosilňovačom /8; Ak tomu všetkému nerozumiete, znamená to jednoducho, že mikrokontrolér beží na internom RC oscilátore 1 MHz a každý hodinový cyklus trvá 1 mikrosekundu.

1 2 1 MHz = z 10 000 000 cyklov za sekundu Preto 1 s/10 000 000 = 1/10 000 000 = 1us

Hodiny AVR a prevod na vzdialenosť

Už sme skoro tam! Keď vieme, ako previesť cykly hodín AVR na vzdialenosť prejdenú zvukovými vlnami, je implementácia logiky do programu jednoduchá.

Vieme, že rýchlosť ultrazvukového zvuku v ideálnom prostredí je: 58,31 us/cm

Vieme, že rozlíšenie mikrokontroléra AVR je 1 cyklus za hodinu (CLK)

Preto vzdialenosť prejdená zvukom za hodinový cyklus (CLK) je:

1 2 3 = (58,31 us/ cm) x (1us/ clk) = 58,31 hodinových cyklov/ cm alebo = 1/ 58,31 cm/ clk

Ak je známy počet hodinových cyklov, ktoré zvuk potrebuje na to, aby sa mohol šíriť a odrážať, môžeme vzdialenosť ľahko vypočítať. Ak napríklad senzoru trvá 1 000 hodinových cyklov, aby sa vrátil a odrazil sa, potom je vzdialenosť od senzora k najbližšiemu objektu = 1000/58,31 = 17,15 cm (približne)

Dáva teraz všetko zmysel? Nie? Prečítaj si to ešte raz

Ak máte všetku logiku uvedenú vyššie jasno, implementujeme ju v scenári skutočného sveta pripojením lacného ultrazvukového senzora HC-SR04 k našej doske AVR Arduino.

Krok 5: Hardvérové pripojenia:

Arduino Board uľahčuje pripojenie externých senzorov a tiež zobrazuje výsledky na LCD displeji. Na snímanie ultrazvukového rozsahu používame lacný modul HC-SR04. Modul má 4 piny, ktoré je možné pripojiť k doske mikrokontroléra: VCC, TRIG, ECHO a GND.

Pripojte pin VCC k 5V a pin GND k zemi na doske Arduino.

Kolíky TRIG a ECHO je možné pripojiť k akýmkoľvek dostupným kolíkom na doske. Odoslanie najmenej 10us „vysokého“signálu na spúšťací kolík odošle osem 40 kHz zvukových vĺn a vytiahne kolík ozveny vysoko. Ak sa zvuk odrazí od blízkeho predmetu a vráti sa späť, je zachytený prijímacím prevodníkom a kolík ozveny je potiahnutý „nízko“.

K dispozícii sú aj ďalšie varianty modulov ultrazvukových senzorov s iba 3 kolíkmi. Princíp činnosti je stále rovnaký, ale funkčnosť spúšťacích a echo pinov je zlúčená do jedného kolíka.

Po pripojení je možné spúšťacie a ozvenové kolíky konfigurovať pomocou softvéru. Aby bol tento príklad jednoduchý, nebudeme v tomto prípade používať žiadne kolíky na prerušenie (alebo pin na zachytenie vstupu). Nepoužívanie určených pinov prerušenia nám tiež dáva slobodu pripojiť modul k akýmkoľvek dostupným pinom na doske.

Krok 6: Kód

Nasledujúci kód obsahuje iba „ultrazvukové“rozšírenie ovládania jednosmerného motora pomocou mostíka H z predchádzajúceho článku. Akonáhle robot zistí prekážku pred sebou, otočí sa (náhodný stupeň) a pokračuje vpred. Túto funkciu je možné ľahko rozšíriť, aby sa súčasne otáčalo a detekovalo prekážky - robot by sa teda neotáčal náhodne, ale začal by sa pohybovať dopredu, iba ak nie je detekovaný žiadny predmet.

Vysvetlenie kódu nájdete vo videu na YouTube uvedenom na kanáli.

Krok 7: Video

Pozrite si video o celom procese.