Uradi sam zidni robot: 9 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

U ovom uputstvu ćemo objasniti kako dizajnirati sistem za otkrivanje i izbjegavanje prepreka koristeći GreenPAK ™ zajedno s nekoliko vanjskih ultrazvučnih i infracrvenih (IR) senzora. Ovaj dizajn će predstaviti neke teme koje su potrebne za autonomne i umjetno inteligentne robotske sisteme.

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

Korak 1: Izjava o problemu

Nedavno je obnovljeno zanimanje za umjetnu inteligenciju, a veliki dio tog interesa usmjeren je prema potpuno autonomnim i inteligentnim mašinama. Takvi roboti mogu minimizirati ljudsku odgovornost i proširiti automatizaciju na područja poput javnih službi i odbrane. 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: Detalji 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 4 kotača i čip GreenPAK SLG46620V.

Digitalni izlazni pin GreenPAK kontrolera koristi se za aktiviranje ultrazvučnog senzora (poznatog i kao sonar), a digitalni ulazni pin se koristi za prikupljanje rezultirajućeg odjeka s prepreka ispred za analizu. Takođe se posmatra 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 i 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 pogodan 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 emituje 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 eho. Na ovaj način se 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 povezani preko IC upravljačkog programa motora na GreenPAK. Ultrazvučni senzor pričvršćen je na prednju stranu robota, a dva IC 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 se prepreka nalazi ispred robota, ultrazvučni valovi se odbijaju od prepreke i te se informacije prosljeđuju GreenPAK -u. Istovremeno, IR senzori emituju i primaju IC talase. Nakon tumačenja ulaza ultrazvučnih i infracrvenih senzora, GreenPAK kontrolira motore 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 šalje impulse s prednje strane robota u redovnim intervalima. Ako postoji prepreka, zvučni impulsi se reflektiraju i senzor ih detektira. Odraz impulsa ovisi o fizičkom stanju prepreke: ako je nepravilnog oblika, reflektirani impulsi će biti manji; ako je ujednačen, većina prenesenih impulsa će se reflektirati. Odraz također ovisi o smjeru prepreke. Ako je blago nagnut ili postavljen paralelno sa senzorom, većina zvučnih valova će proći bez refleksije.

Kada se uoči prepreka ispred robota, tada se opažaju bočni izlazi iz IC senzora. Ako se prepreka otkrije s desne strane, gume robota s lijeve strane se onemogućuju, zbog čega se okreće prema lijevo, 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. On mjeri udaljenost tako što šalje zvučni val na određenoj frekvenciji i osluškuje da se zvučni val odbije nazad. 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), tako da možete izračunati udaljenost do objekta pomoću formule 1.

HC-SR04 ultrazvučni senzor sastoji se od četiri pina: Vdd, GND, Trigger i Echo. Kad god se impuls iz kontrolera primijeni na okidač okidača, senzor emitira ultrazvučni val iz "zvučnika". Odraženi valovi se detektiraju od strane "prijemnika" i prenose se natrag u kontroler putem Echo pina. Što je veća udaljenost između senzora i prepreke, 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 nazad, podijeljen s dva. Kada se sonar aktivira, uključuje se interni mjerač vremena i nastavlja se dok se ne otkrije reflektirani val. Ovo vrijeme se zatim dijeli s dva jer je stvarno vrijeme potrebno zvučnom valu da dosegne prepreku bilo upola manje od uključenog mjerača vremena.

Rad ultrazvučnog senzora prikazan je na slici 4.

Da biste generirali ultrazvučni impuls, morate postaviti okidač na VISOKO stanje za 10μs. To će poslati zvučni udar 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 infracrvene detekcije prepreka

Kao i ultrazvučni senzor, osnovni koncept infracrvene (IR) detekcije prepreka je prenošenje IC signala (u obliku zračenja) i promatranje njegove refleksije. Modul IC senzora prikazan je na slici 6.

Karakteristike

• Na ploči se nalazi indikatorska lampica prepreke
• Digitalni izlazni signal
• Udaljenost detekcije: 2 ~ 30 cm
• Ugao detekcije: 35 °
• Uporedni čip: LM393
• Podesivi raspon udaljenosti detekcije putem potenciometra:

○ U smjeru kazaljke na satu: Povećajte udaljenost otkrivanja

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

Specifikacije

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

Opis kontrolne lampice opisan u Tabeli 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 pina za omogućavanje 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 rotirati u suprotnom smjeru. Isto se odnosi na krajnje desne igle i desni izlazni motor. Ako oba pina u paru dobiju logičke razine VISOKO ili NISKO, motori će se zaustaviti.

Ovaj dvostruki dvosmjerni upravljački program motora zasnovan je na vrlo popularnoj IC upravljačkoj jedinici motora s dvostrukim H-mostom L298. Ovaj modul vam omogućuje jednostavno i neovisno upravljanje 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 filtera i diodu sa slobodnim hodom koji štiti uređaje u krugu od oštećenja obrnutom strujom induktivnog opterećenja, povećavajući pouzdanost. L298 ima upravljački napon 5-35 V i logički nivo 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 je generiran pomoću CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 i oscilatora. Ulaz sa Echo pina ultrazvučnog senzora očitava se pomoću Pin3. Tri ulaza primjenjuju se na 3-bitni LUT0: jedan iz Echa, drugi iz okidača, a treći to je ulaz okidača odgođen za 30 us. Izlaz iz ove tablice pretraživanja koristi se u Matrici 1. Izlaz iz IC senzora također se uzima u Matrici 0.

U Matrici 1, portovi P1 i P6 su ILI zajedno povezani na Pin17, koji je priključen na Pin1 upravljačkog programa motora. Pin18 je uvijek na niskoj logičkoj vrijednosti i povezan je s Pin2 upravljačkog programa motora. Slično, priključci P2 i P7 ILI bi bili zajedno spojeni 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.

Kada je Echo pin VISOK, to znači da se objekt nalazi ispred robota. Robot zatim provjerava ima li lijeve i desne prepreke od IC senzora. Ako je prepreka prisutna i na desnoj strani robota, tada skreće lijevo, a ako je prepreka prisutna na lijevoj strani, skreće desno. 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. Uz dodatna kola, ovaj dizajn se može poboljšati za obavljanje drugih zadataka, poput pronalaženja puta do određene točke, algoritma za rješavanje labirinta, algoritma koji slijedi linije itd.

Korak 9: Slike hardvera