Направи си сам стенен робот: 9 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

В тази инструкция ще обясним как да проектираме система за откриване и избягване на препятствия, използвайки GreenPAK ™ заедно с няколко външни ултразвукови и инфрачервени (IR) сензори. Този дизайн ще въведе някои теми, които са необходими за автономни и изкуствено интелигентни роботизирани системи.

По -долу описахме стъпки, необходими, за да разберем как решението е програмирано за създаване на стена след робот. Ако обаче просто искате да получите резултат от програмирането, изтеглете софтуера GreenPAK, за да видите вече завършения файл за проектиране GreenPAK. Включете GreenPAK Development Kit към вашия компютър и натиснете програма, за да създадете стената след робот.

Стъпка 1: Декларация за проблем

Наскоро се възобнови интересът към изкуствения интелект и голяма част от този интерес е насочен към напълно автономни и интелигентни машини. Такива роботи могат да минимизират човешката отговорност и да разширят автоматизацията до области като държавни служби и отбрана. Изследователите на AI се опитват да автоматизират услуги като пожарогасене, медицинска помощ, управление на бедствия и спасителни задължения чрез автономни роботизирани превозни средства. Едно предизвикателство, което тези превозни средства трябва да преодолеят, е как успешно да откриват и избягват препятствия като отломки, огън, клопки и т.н.

Стъпка 2: Подробности за внедряването

В тази инструкция ще използваме ултразвуков сензор, двойка инфрачервени сензори за откриване на препятствия, верига на двигател (L298N), четири DC двигателя, колела, скелет на автомобил с 4 колела и чип GreenPAK SLG46620V.

Цифров изходен щифт на контролера GreenPAK се използва за задействане на ултразвуковия сензор (известен още като сонар), а цифров входен щифт се използва за събиране на полученото ехо от препятствията пред вас за анализ. Наблюдава се и изходът на IR сензора за откриване на препятствия. След прилагане на набор от условия, ако препятствие е твърде близо, двигателите (свързани към всяко от 4 -те колела) се регулират, за да се избегне сблъсък.

Стъпка 3: Обяснение

Автономният робот за избягване на препятствия трябва да може да открива препятствия и да избягва сблъсъци. Дизайнът на такъв робот изисква интегриране на различни сензори, като сензори за удар, инфрачервени сензори, ултразвукови сензори и др. Чрез монтирането на тези сензори върху робота, той може да получи информация за околността. Ултразвуков сензор е подходящ за откриване на препятствия за бавно движещ се автономен робот, тъй като има ниска цена и относително висок обхват.

Ултразвуков сензор открива обекти, като излъчва кратък ултразвуков изблик и след това слуша ехото. Под контрола на хост микроконтролер, сензорът излъчва кратък 40 kHz импулс. Този импулс се движи във въздуха, докато не удари обект и след това се отразява обратно към сензора. Сензорът предоставя изходен сигнал към хоста, който завършва, когато ехото бъде открито. По този начин ширината на върнатия импулс се използва за изчисляване на разстоянието до обекта.

Този роботизиран автомобил за избягване на препятствия използва ултразвуков сензор за откриване на обекти по пътя си. Двигателите са свързани чрез IC драйвер на двигателя към GreenPAK. Ултразвуковият сензор е прикрепен към предната част на робота, а двата IR сензора за откриване на препятствия са прикрепени от лявата и дясната страна на робота за откриване на странични препятствия.

Докато роботът се движи по желания път, ултразвуковият сензор непрекъснато предава ултразвукови вълни. Всеки път, когато препятствие е пред робота, ултразвуковите вълни се отразяват обратно от препятствието и тази информация се предава на GreenPAK. Едновременно с това IR сензорите излъчват и приемат IR вълни. След интерпретиране на входовете от ултразвуковите и IR сензорите, GreenPAK контролира двигателите за всяко от четирите колела.

Стъпка 4: Описание на алгоритъма

При стартиране четирите двигателя се включват едновременно, което кара робота да се движи напред. След това ултразвуковият сензор изпраща импулси от предната част на робота на редовни интервали. Ако има препятствие, звуковите импулси се отразяват и откриват от сензора. Отражението на импулсите зависи от физическото състояние на препятствието: ако то е с неправилна форма, тогава отразените импулси ще бъдат по -малко; ако е еднакво, тогава повечето от предадените импулси ще бъдат отразени. Отражението също зависи от посоката на препятствието. Ако е леко наклонен или поставен успоредно на сензора, повечето звукови вълни ще преминат без отражение.

Когато се открие препятствие пред робота, се наблюдават страничните изходи от инфрачервените сензори. Ако се открие препятствие от дясната страна, гумите от лявата страна на робота се деактивират, което го кара да се обърне наляво и обратно. Ако не се открие препятствие, алгоритъмът се повтаря. Схемата на потока е показана на фигура 2.

Стъпка 5: Ултразвуков сензор HC-SR04

Ултразвуков сензор е устройство, което може да измери разстоянието до обект с помощта на звукови вълни. Той измерва разстоянието, като изпраща звукова вълна с определена честота и слуша тази звукова вълна да отскочи обратно. Записвайки изминалото време между генерираната звукова вълна и отскачащата звукова вълна, е възможно да се изчисли разстоянието между сензора на сонара и обекта. Звукът се движи във въздуха със скорост около 344 м/сек (1129 фута/сек), така че можете да изчислите разстоянието до обекта, използвайки Формула 1.

Ултразвуковият сензор HC-SR04 се състои от четири пина: Vdd, GND, Trigger и Echo. Всеки път, когато импулс от контролера се прилага към тригерния щифт, сензорът излъчва ултразвукова вълна от „високоговорител“. Отразените вълни се откриват от „приемника“и се предават обратно към контролера чрез Echo щифта. Колкото по -голямо е разстоянието между сензора и препятствие, толкова по -дълъг ще бъде импулсът на Ехо пина. Импулсът остава включен за времето, необходимо на сонарния импулс да премине от сензора и да се върне обратно, разделен на две. При задействане на сонара се стартира вътрешен таймер и продължава, докато отразената вълна бъде открита. След това това време се разделя на две, защото действителното време, необходимо на звуковата вълна да достигне препятствието, е половината от времето, в което е включен таймерът.

Работата на ултразвуковия сензор е илюстрирана на фигура 4.

За да генерирате ултразвуков импулс, трябва да настроите тригера на високо състояние за 10 μs. Това ще изпрати 8-тактов звуков сигнал, който ще отразява всяко препятствие пред устройството и ще бъде приет от сензора. Ехото ще изведе времето (в микросекунди), през което звуковата вълна е преминала.

Стъпка 6: Инфрачервен сензорен модул за откриване на препятствия

Подобно на ултразвуковия сензор, основната концепция за откриване на инфрачервени (IR) препятствия е да предава IR сигнал (под формата на радиация) и да наблюдава неговото отражение. Модулът на IR сензора е показан на фигура 6.

Характеристика

• На платката има индикатор за препятствия
• Цифров изходен сигнал
• Разстояние за откриване: 2 ~ 30 cm
• Ъгъл на откриване: 35 °
• Сравнителен чип: LM393
• Регулируем диапазон на разстояние за откриване чрез потенциометър:

○ По посока на часовниковата стрелка: Увеличете разстоянието за откриване

○ Обратно на часовниковата стрелка: Намалете разстоянието за откриване

Спецификации

• Работно напрежение: 3 - 5 V DC
• Тип изход: Цифров превключващ изход (0 и 1)
• 3 мм отвори за винтове за лесен монтаж
• Размер на дъската: 3,2 х 1,4 см

Описание на контролния индикатор, описано в таблица 1.

Стъпка 7: Верига на водача на двигателя L298N

Схемата за задвижване на двигателя или H-Bridge се използва за контрол на скоростта и посоката на DC двигателите. Той има два входа, които трябва да бъдат свързани към отделен източник на постоянен ток (двигателите извличат силен ток и не могат да се захранват директно от контролера), два комплекта изходи за всеки двигател (положителен и отрицателен), два разрешаващи щифта за всеки набор от изходи и два комплекта щифтове за управление на посоката на всеки изход на двигателя (по два пина за всеки двигател). Ако на най -лявите два пина са дадени логически нива HIGH за един щифт и LOW за другия, моторът, свързан към левия изход, ще се завърти в една посока, а ако последователността на логиката е обърната (LOW и HIGH), двигателите ще се въртят в обратна посока. Същото важи и за най -десните щифтове и десния изходящ двигател. Ако и на двата щифта в двойката бъдат дадени логически нива HIGH или LOW, двигателите ще спрат.

Този двоен двупосочен драйвер за двигател се основава на много популярната IC интегрална схема за двигател с двоен H-мост L298. Този модул ви позволява лесно и независимо да управлявате два двигателя в двете посоки. Той използва стандартните логически сигнали за управление и може да управлява двуфазни стъпкови двигатели, четирифазни стъпкови двигатели и двуфазни DC двигатели. Той има филтриращ кондензатор и свободен ход диод, който предпазва устройствата от веригата от повреда от обратния ток на индуктивен товар, повишавайки надеждността. L298 има напрежение на драйвера 5-35 V и логическо ниво 5 V.

Функцията на драйвера на двигателя е описана в Таблица 2.

Блоковата диаграма, показваща връзките между ултразвуковия сензор, драйвера на двигателя и чипа GPAK е показана на Фигура 8.

Стъпка 8: Дизайн на GreenPAK

В Матрица 0, тригерният вход за сензора е генериран с помощта на CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 и осцилатора. Входът от Echo щифта на ултразвуковия сензор се чете с помощта на Pin3. Три входа се прилагат към 3-битов LUT0: един от Echo, друг от Trigger и трети, който е Trigger входът, забавен с 30 us. Изходът от тази таблица за търсене се използва в Матрица 1. Изходът от инфрачервените сензори също се приема в Матрица 0.

В Матрица 1 портовете P1 и P6 са ИЛИ заедно и са свързани към Pin17, който е прикрепен към Pin1 на драйвера на двигателя. Pin18 винаги е с ниско логическо ниво и е свързан към Pin2 на драйвера на двигателя. По същия начин портовете P2 и P7 са ИЛИ заедно и са свързани към Pin20 на GreenPAK, който е прикрепен към P3 на веригата на двигателя. Pin19 е свързан към Pin4 на драйвера на двигателя и винаги е на логика LOW.

Когато щифтът на ехото е ВИСОК, това означава, че обект е пред робота. След това роботът проверява за ляво и дясно препятствие от инфрачервените сензори. Ако препятствие има и от дясната страна на робота, той завива наляво, а ако препятствие има от лявата страна, то завива надясно. По този начин роботът избягва препятствията и се движи без сблъсък.

Заключение

В тази инструкция ние създадохме просто превозно средство за автоматично откриване и избягване на препятствия, използвайки GreenPAK SLG46620V като основен управляващ елемент. С някои допълнителни схеми този дизайн може да бъде подобрен, за да изпълнява други задачи, като например намиране на път до определена точка, алгоритъм за решаване на лабиринт, алгоритъм след линия и т.н.

Стъпка 9: Хардуерни снимки