РОБОТ ЗА РАСТЕНИЕ: 10 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Всеки се радва да има растения у дома, но понякога с натоварения си живот не намираме време да се грижим добре за тях. От този проблем стигнахме до идея: Защо да не създадем робот, който да се грижи за нас?

Този проект се състои от завод-робот, който се грижи за себе си. Заводът е интегриран в робота и ще може да се полива и да намира светлина, като същевременно избягва препятствията. Това беше възможно с помощта на няколко сензора на робота и на завода. Тази инструкция има за цел да ви води през процеса на създаване на робот за растения, така че да не се притеснявате за растенията си всеки ден!

Този проект е част от Bruface Mechatronics и е реализиран от:

Мерцедес Аревало Суарес

Даниел Бланкес

Бодуен Корнелис

Каат Лиманс

Маркос Мартинес Хименес

Базил Тис

(Група 4)

Стъпка 1: СПИСЪК ЗА ПОКУПКИ

Ето списък на всеки продукт, който ще ви е необходим, за да създадете този робот. За всяко подчертано парче е налична връзка:

3D печатни двигатели поддържат X1 (копиране в 3D)

3D отпечатани колела + връзка на мотора на колелото X2 (копиране в 3D)

AA Nimh батерии X8

Ролка за абразивна хартия X1

Arduino Mega X1

Колело с топка X1

Поставка за батерия X2

Платформа за тестове X1

Платка към спойка X1

DC двигатели (с енкодер) X2

Панти X2

Хигрометър X1

Светлозависими резистори X3

Джъмпери мъже-мъже и мъже-жени

Щит на двигателя X1

Завод X1 (това зависи от вас)

Саксия за растения X1

Поддръжка на растенията X1 (3D печат)

Пластмасова тръба X1

Резистори с различни стойности

Издраскайте хартия X1

Винтове

Остри сензори X3 (GP2Y0A21YK0F 10-80 см)

Превключвател X1

Водна помпа X1

Резервоар за вода (малък Tupperware) X1

Проводници

Моля, обърнете внимание, че тези избори са резултат от ограничения във времето и бюджета (3 месеца и 200 €). Други избори могат да бъдат направени по ваша преценка.

ОБЯСНЕНИЕ НА РАЗЛИЧНИТЕ ИЗБОРИ

Arduino Mega над Arduino Uno: Първо, ние също трябва да обясним причината, поради която изобщо сме използвали Arduino. Arduino е платформа за електронни прототипи с отворен код, която позволява на потребителите да създават интерактивни електронни обекти. Той е много популярен както сред експерти, така и между начинаещи, което допринася за намирането на много информация за него в Интернет. Това може да бъде полезно, когато имате проблем с вашия проект. Избрахме Arduino Mega пред Uno, защото има повече щифтове. Всъщност, за броя на сензорите, които използваме, Uno не предлага достатъчно пинове. Мега също е по -мощен и може да бъде полезен, ако добавим някои подобрения като WIFI модул.

Nimh батерии: Първата идея беше да се използват LiPo батерии, както в много роботизирани проекти. LiPo имат добра скорост на разреждане и лесно се зареждат. Но скоро разбрахме, че LiPo и зарядното са твърде скъпи. Единствените други батерии, подходящи за този проект, са Nimh. Всъщност те са евтини, акумулаторни и леки. За да захранваме двигателя, ще се нуждаем от 8 от тях, за да постигнем захранващо напрежение от 9.6V (разредено) до 12V (напълно заредено).

DC двигатели с енкодери: Като се има предвид основната цел на този задвижващ механизъм, да се осигури ротационна енергия на колелата, ние избрахме два DC двигателя вместо Servo Motors, които имат ограничение в ъгъла на въртене и са предназначени за по -специфични задачи, където трябва да се определи позицията точно. Фактът, че има енкодери, също добавя възможността за по -висока точност, ако е необходимо. Обърнете внимание, че най -накрая не използвахме енкодерите, защото осъзнахме, че двигателите са доста сходни и нямахме нужда от робота, който да следва точно права линия.

На пазара има много DC двигатели и ние търсихме такъв, който да отговаря на нашия бюджет и робот. За да задоволим тези ограничения, два важни параметъра ни помогнаха да изберем двигателя: въртящият момент, необходим за преместване на робота, и скоростта на робота (за намиране на необходимите обороти).

1) Изчислете оборотите

Този робот няма да има нужда да пробива звуковата бариера. За да следваме светлината или да следваме някого в къща, скоростта от 1 m/s или 3,6 km/h изглежда разумна. За да го преведем в обороти, използваме диаметъра на колелата: 9 см. Оборотите се определят от: rpm = (60*скорост (m/s))/(2*pi*r) = (60*1)/(2*pi*0.045) = 212 rpm.

2) Изчислете необходимия максимален въртящ момент

Тъй като този робот ще се развива в плоска среда, максималният въртящ момент, необходим, е този, който да стартира робота. Ако считаме, че теглото на робота с растението и всеки компонент е около 3 килограма и използвайки силите на триене между колелата и земята, можем лесно да намерим въртящия момент. Като се има предвид коефициент на триене 1 между земята и колелата: Силите на триене (Fr) = коефициент на триене. * N (където N е теглото на робота) това ни дава Fr = 1 * 3 * 10 = 30 N. Въртящият момент за всеки двигател може да се намери както следва: T = (Fr * r)/2 където r е радиус на колелата, така че T = (30*0,045)/2 = 0,675 Nm = 6,88 kg cm.

Това са характеристиките на двигателя, който избрахме: при 6V 175 rpm и 4 kg cm при 12V 350 rpm и 8 kg cm. Знаейки, че той ще се захранва между 9,6 и 12 V чрез извършване на линейна интерполация, ясно изглежда, че горните ограничения ще бъдат изпълнени.

Светлинни сензори: Избрахме светлозависими резистори (LDR), тъй като тяхното съпротивление варира бързо със светлината и напрежението върху LDR може лесно да бъде измерено чрез прилагане на постоянно напрежение върху делител на напрежение, съдържащо LDR.

Остри сензори: Те се използват за избягване на препятствия. Сензорите за рязко разстояние са евтини и лесни за използване, което ги прави популярен избор за откриване и измерване на обекти. Обикновено те имат по -високи скорости на актуализиране и по -къси максимални обхвати на откриване от сонарните далекомери. На пазара се предлагат много различни модели с различни работни диапазони. Тъй като те се използват за откриване на препятствия в този проект, ние избрахме този с работен обхват 10-80 cm.

Водна помпа: Водната помпа е проста лека и не твърде мощна помпа, съвместима с обхвата на напрежението на двигателите, за да използва една и съща храна и за двата. Друго решение за захранване на растението с вода е било да има водна база, отделена от робота, но е много по -просто да има такава на робота.

Хигрометър: Хигрометърът е сензор за влажност, който се поставя в земята. Необходимо е, тъй като роботът трябва да знае кога саксията е суха, за да изпрати вода към нея.

Стъпка 2: МЕХАНИЧЕСКИ ДИЗАЙН

По принцип дизайнът на робота ще се състои от правоъгълна кутия, с три колела от долната страна и капак, който се отваря от горната страна. Заводът ще бъде поставен отгоре с резервоара за вода. Саксията за растение се поставя в фиксиращата саксия за растения, която се завинтва върху горната дъска на робота. Резервоарът за вода е малък Tupperware, надраскан по горната дъска на робота, а водната помпа също е надраскана в дъното на резервоара за вода, така че всичко може да бъде лесно отстранено при пълнене на Tupperware с вода. В капака на резервоара се прави малък отвор поради тръбата с вода, която влиза в саксията за растенията и храненето на помпата, влизаща в кутията. По този начин се прави отвор в горната дъска на кутията и кабелите на хигрометъра също преминават през този отвор.

Първо, искахме роботът да има атрактивен дизайн, затова решихме да скрием електронната част в кутия, оставяйки точно извън завода и водата. Това е важно, тъй като растенията са част от декорацията на къщата и не трябва да влияят визуално върху пространството. Компонентите в кутията ще бъдат лесно достъпни чрез капак от горната страна, а страничните капаци ще имат необходимите отвори, така че да е лесно например да включите робота или да свържете Arduino към лаптоп, ако искаме да го програмирате отново.

Компонентите в кутията са: Arduino, контролерът на двигателя, двигателите, LDR, държачите на купчините, макета и пантите. Arduino е монтиран на малки стълбове, така че дъното му да не е повредено, а контролерът на двигателя е монтиран върху Arduino. Двигателите се завинтват към фиксаторите на двигателя и след това фиксирането на двигателите се завинтва към долната дъска на кутията. LDR са запоени на малко парче дъска. Мини дъски от дърво са залепени към тази дъска, за да се завинтват към страничните страни на робота. Има един LDR отпред, един от лявата страна и един от дясната страна, така че роботът да може да познава посоката с най -голямо количество светлина. Държачите на купчините са надраскани до долната страна на кутията, за да се отстранят лесно и да се сменят купчините или да се презареждат. След това дънната платка се завинтва към долната дъска с малки триъгълни оформени колони с отвори във формата на ъгъла на дъската за поддържане. Накрая пантите се завинтват на задната и горната страна.

На предната страна ще бъдат директно завинтени три остри, за да се открият и избегнат препятствията възможно най -добре.

Въпреки че физическият дизайн е важен, не можем да забравим за техническата част, ние изграждаме робот и той трябва да бъде практичен и доколкото е възможно трябва да оптимизираме пространството. Това е причината да отидете на правоъгълна форма, това беше най -добрият начин да подредите всички компоненти.

И накрая, за движението устройството ще има три колела: две стандартни моторизирани отзад и едно колело за топки отпред. Те се показват в тритактово задвижване, конфигурация, предно управление и задно управление.

Стъпка 3: ПРОИЗВОДСТВО НА ЧАСТИ

Външният вид на робота може да бъде променен въз основа на вашия интерес. Предоставени са технически чертежи, което може да работи като добро заземяване при проектирането на вашето собствено.

Лазерно изрязани части:

Всичките шест части, съставляващи корпуса на робота, са лазерно изрязани. Материалът, използван за това, е рециклирано дърво. Тази кутия също може да бъде направена от плексиглас, който е малко по -скъп.

3D отпечатани части:

Двете стандартни колела, поставени в задната част на робота, са 3D отпечатани в PLA. Причината е, че единственият начин да намерим колела, които да отговарят на всички нужди (подходящи за двигателите с постоянен ток, размер, тегло …) е да ги проектираме сами. Фиксаторът на двигателя също беше отпечатан 3D по икономически причини. След това опората за саксии за растения, стълбовете, поддържащи Arduino, и ъглите, поддържащи макетната платка, също бяха 3D отпечатани, защото се нуждаехме от конкретна форма, която да се монтира в нашия робот.

Стъпка 4: ЕЛЕКТРОНИКА

Остри сензори: Острите сензори имат три щифта. Два от тях са за хранене (Vcc и Ground), а последният е измереният сигнал (Vo). За хранене имаме положителното напрежение, което може да бъде между 4,5 и 5,5 V, така че ще използваме 5V от Arduino. Vo ще бъде свързан към един от аналоговите пинове на Arduino.

Светлинни сензори: Светлинните сензори се нуждаят от малко верига, за да могат да работят. LDR се поставя последователно с резистор от 900 kOhm за създаване на делител на напрежение. Земята е свързана към щифта на резистора, който не е свързан към LDR, а 5V на Arduino е свързан към щифта на LDR, който не е свързан към резистора. Щифтът на резистора и LDR, свързани помежду си, са свързани към аналогов щифт на Arduino, за да се измери това напрежение. Това напрежение ще варира между 0 и 5V, като 5V съответства на пълна светлина и близо до нула, съответстваща на тъмно. Тогава цялата верига ще бъде запоена върху малко парче дъска, което може да се побере в страничните дъски на робота.

Батерии: Батериите са направени от 4 купчини между 1,2 и 1,5 V всяка, така че между 4,8 и 6V. Чрез поставяне на два държача на купчини последователно имаме между 9,6 и 12 V.

Водна помпа: Водната помпа има връзка (захранващ жак) от същия тип като храната на Arduino. Първата стъпка е да прекъснете връзката и да отстраните проводника, за да имате проводника за заземяване и проводника за положително напрежение. Тъй като искаме да управляваме помпата, ще я поставим последователно с текущо управляем транзистор, използван като превключвател. След това паралелно с помпата ще бъде поставен диод, за да се предотвратят обратни токове. Долният крак на транзистора е свързан към общата земя на Arduino/батерии, средният към цифров щифт на Arduino с резистор от 1 kOhm, за да трансформира напрежението на Arduino в ток, а горният крак към черния кабел на помпата. След това червеният кабел на помпата е свързан към положителното напрежение на батериите.

Двигатели и щит: Щитът трябва да бъде запоен, той се доставя без запояване. След като това е направено, той се поставя на Arduino чрез изрязване на всички заглавия на щита в щифтовете на Arduino. Щитът ще се захранва с батерии и след това ще захранва Arduino, ако е включен джъмпер (оранжеви щифтове на фигурата). Внимавайте да не поставите джъмпера, когато Arduino се захранва от друго средство, освен щита, тъй като Arduino след това ще захранва щита и може да изгори връзката.

Платка: Всички компоненти вече ще бъдат запоени на дъската. Земята на един държач за купчини, Arduino, контролера на двигателя и на всички сензори ще бъдат запоени на един и същи ред (в нашите редове има същия потенциал). След това черният кабел на втория държач за купчини ще бъде запоен в същия ред като червения на първия държач за купчини, чиято земя вече е запоена. След това кабел ще бъде запоен на същия ред като червения кабел на втория държач за купчини, съответстващ на двата последователни. Този кабел ще бъде свързан към единия край на превключвателя, а другият край ще бъде свързан с проводник, запоен върху макета на свободен ред. Червеният кабел на помпата и захранването на контролера на двигателя ще бъдат запоени към този ред (превключвателят не е представен на фигурата). Тогава 5V на Arduino ще бъдат запоени на друг ред и напрежението на хранене на всеки сензор ще бъде споено на същия ред. Опитайте да запоите джъмпер на дъската и джъмпер на компонента, когато е възможно, за да можете лесно да ги изключите и сглобяването на електрическите компоненти ще бъде по -лесно.

Стъпка 5: ПРОГРАМИРАНЕ

Диаграма на програмата:

Програмата се поддържа доста проста, използвайки понятието за променливи на състоянието. Както можете да видите в блок -схемата, тези състояния също предизвикват представа за приоритет. Роботът ще провери условията в този ред:

1) В състояние 2: Има ли растението достатъчно вода с функцията mois_level? Ако нивото на влага, измерено с хигрометъра, е под 500, помпата ще работи, докато нивото на влага надвиши 500. Когато инсталацията има достатъчно вода, роботът преминава в състояние 3.

2) В състояние 3: Намерете посоката с най -много светлина. В това състояние растението има достатъчно вода и трябва да следва посоката с най -много светлина, като същевременно избягва препятствията. Функцията light_direction дава посоката на трите светлинни сензора, които получават най -много светлина. След това роботът ще управлява двигателите, за да следва тази посока с функцията follow_light. Ако нивото на осветеност е над определен праг (достатъчно_светлина), роботът спира да следва светлината, тъй като има достатъчно в тази позиция (stop_motors). За да се избегнат препятствия под 15 см при следване на светлината, е приложена функционална пречка за връщане посоката на препятствието. За да се избегнат правилно препятствията е реализирана функцията избегване_препятствие. Тази функция управлява двигателя, като знае къде е препятствието.

Стъпка 6: МОНТАЖ

Сглобяването на този робот всъщност е доста лесно. Повечето компоненти са завинтени към кутията, за да се гарантира, че запазват мястото си. След това държачът на купчините, резервоарът за вода и помпата се надраскват.

Стъпка 7: ОПИТИ

Обикновено при изграждането на робот нещата не вървят гладко. За да получите перфектния резултат, са необходими много тестове, със следните промени. Ето експонат от процеса на растителния робот!

Първата стъпка беше монтирането на робота с двигатели, Arduino, контролер на двигателя и светлинни сензори с прототипна дъска. Роботът просто върви в посоката, в която е измерил най -много светлина. Решен е праг, за да се спре роботът, ако има достатъчно светлина. Докато роботът се плъзгаше по пода, добавихме абразивна хартия на колелата, за да симулираме гума.

След това острите сензори бяха добавени към конструкцията, за да се опитат да избегнат препятствия. Първоначално два сензора бяха поставени на предната страна, но трети беше добавен в средата, тъй като острите сензори имат много ограничен ъгъл на откриване. И накрая, имаме два сензора в крайниците на робота, които откриват препятствия наляво или надясно и един в средата, за да открие дали има препятствие отпред. Препятствията се откриват, когато напрежението на острието надхвърли определена стойност, съответстваща на разстояние 15 см до робота. Когато препятствието е отстрани, роботът го избягва, а когато препятствието е в средата, роботът спира. Моля, обърнете внимание, че препятствията под острите предмети не се откриват, така че препятствията трябва да имат определена височина, за да бъдат избегнати.

След това помпата и хигрометърът бяха тествани. Помпата изпраща вода, докато напрежението на хигрометъра е под определена стойност, съответстваща на сух съд. Тази стойност беше измерена и определена експериментално чрез изпитване със сухи и влажни саксийни растения.

Накрая всичко беше тествано заедно. Растението първо проверява дали има достатъчно вода и след това започва да следва светлината, като същевременно избягва препятствията.

Стъпка 8: ОКОНЧАТЕЛЕН ТЕСТ

Ето видеоклипове за това как роботът най -накрая работи. Надявам се да ти хареса!

Стъпка 9: КАКВО СМЕ НАУЧИЛИ С ТОЗИ ПРОЕКТ?

Въпреки че общата обратна връзка за този проект е страхотна, защото научихме много, ние бяхме доста стресирани при изграждането му поради крайните срокове.

Възникнали проблеми

В нашия случай имахме няколко проблема по време на процеса. Някои от тях бяха лесни за решаване, например когато доставката на компонентите се забави, просто потърсихме магазини в града, където можехме да ги купим. Други изискват малко повече мислене.

За съжаление не всеки проблем беше решен. Първата ни идея беше да комбинираме характеристиките на домашни любимци и растения, като извлечем най -доброто от всеки. За растенията бихме могли да го направим, с този робот ще можем да имаме растение, което украсява къщите ни и няма да се налага да се грижим за него. Но за домашните любимци ние не намерихме начин да симулираме компанията, която правят. Мислехме за различни начини да го накараме да следва хората и започнахме да прилагаме един, но нямахме време да го завършим.

Допълнителни подобрения

Въпреки че бихме искали да получим всичко, което искахме, обучението с този проект беше невероятно. Може би с повече време бихме могли да получим още по -добър робот. Тук предлагаме някои идеи за подобряване на нашия робот, които може би някои от вас искат да опитат:

- Добавяне на светодиоди с различни цветове (червено, зелено, …), които казват на потребителя кога роботът трябва да се зареди. Измерването на батерията може да се извърши с делител на напрежение с максимално напрежение 5V, когато батерията е напълно заредена, за да се измери това напрежение с Arduino. След това съответният светодиод се включва.

- Добавяне на сензор за вода, който казва на потребителя кога резервоарът за вода трябва да се напълни отново (сензор за височина на водата).

- Създаване на интерфейс, така че роботът да може да изпраща съобщения до потребителя.

И очевидно не можем да забравим целта да го накараме да следва хората. Домашните любимци са едно от нещата, които хората обичат най -много и би било прекрасно, ако някой успее да постигне, че роботът симулира това поведение. За да го улесним, тук ще предоставим всичко, което имаме.

Стъпка 10: Как да накараме робота да следва хората?

Открихме, че най -добрият начин да го направим е да използваме три ултразвукови сензора, един излъчвател и два приемника.

Предавател

За предавателя бихме искали да имаме 50% работен цикъл. За да направите това, трябва да използвате таймер 555, ние използвахме NE555N. На снимката можете да видите как трябва да бъде изградена веригата. Но ще трябва да добавите допълнителен кондензатор на изход 3, 1 μF например. Резисторите и кондензаторите се изчисляват по следните формули: (снимки 1 и 2)

Тъй като 50% работен цикъл е желателен, t1 и t2 ще бъдат равни помежду си. Така че с 40 kHz предавател, t1 и t2 ще бъдат равни на 1,25*10-5 s. Когато вземете C1 = C2 = 1 nF, R1 и R2 могат да бъдат изчислени. Взехме R1 = 15 kΩ и R2 = 6,8 kΩ, уверете се, че R1> 2R2!

Когато тествахме това във веригата на осцилоскопа, получихме следния сигнал. Скалата е 5 µs/div, така че честотата в действителност ще бъде около 43 kHz. (Снимка 3)

Приемник

Входният сигнал на приемника ще бъде твърде нисък, за да може Arduino да обработва точно, така че входният сигнал трябва да бъде усилен. Това ще стане чрез изработване на инвертиращ усилвател.

За opamp използвахме LM318N, който захранвахме с 0 V и 5 V от Arduino. За да направим това, трябваше да повишим напрежението около сигнала, който трепте. В този случай ще бъде логично да го повишим до 2,5 V. Тъй като захранващото напрежение не е симетрично, ние също трябва да поставим кондензатор преди резистора. По този начин направихме и високочестотен филтър. Със стойностите, които бяхме използвали, честотата трябваше да е по -висока от 23 kHz. Когато използвахме усилване от A = 56, сигналът ще премине в насищане, което не е добре, затова използвахме A = 18 вместо това. Това все още ще бъде достатъчно. (Снимка 4)

Сега, когато имаме усилена синусова вълна, се нуждаем от постоянна стойност, за да може Arduino да я измери. Начин да го направите е да направите пикова верига на детектора. По този начин можем да видим дали предавателят е по -далеч от приемника или под различен ъгъл от преди, като има постоянен сигнал, който е пропорционален на интензитета на получения сигнал. Тъй като се нуждаем от прецизен пиков детектор, поставихме диода 1N4148 в последователя на напрежението. По този начин нямаме загуба на диоди и създадохме идеален диод. За опампата използвахме същата като в първата част на веригата и със същото захранване, 0 V и 5V.

Паралелният кондензатор трябва да има висока стойност, така че той ще се разрежда много бавно и все още виждаме вида на същата пикова стойност като реалната стойност. Резисторът също ще бъде поставен паралелно и няма да бъде твърде нисък, защото в противен случай разрядът ще бъде по -голям. В този случай са достатъчни 1,5 μF и 56 kΩ. (Снимка 5)

На снимката може да се види общата верига. Където е изходът, който ще отиде в Arduino. А 40 kHz AC сигнал ще бъде приемникът, където другият му край ще бъде свързан към земята. (Снимка 6)

Както казахме по -рано, не можахме да интегрираме сензорите в робота. Но ние предоставяме видеоклиповете от тестовете, за да покажем, че веригата работи. В първото видео може да се види усилването (след първия OpAmp). На осцилоскопа вече има отместване от 2.5V, така че сигналът е в средата, амплитудата варира, когато сензорите променят посоката. Когато двата сензора са изправени един срещу друг, амплитудата на синуса ще бъде по -висока, отколкото когато сензорите са с по -голям ъгъл или разстояние между двата. На второто видео (изходът на веригата) може да се види коригираният сигнал. Отново, общото напрежение ще бъде по -високо, когато сензорите са обърнати един към друг, отколкото когато не са. Сигналът не е напълно прав поради разреждането на кондензатора и поради волта/дел. Успяхме да измерим постоянно намаляващ сигнал, когато ъгълът или разстоянието между сензорите вече не са оптимални.

Идеята беше тогава да накараме робота да има приемник, а потребителят - предавател. Роботът може да направи самообръщане, за да открие в коя посока интензивността е най -висока и може да се движи в тази посока. По -добър начин може да бъде да имате два приемника и да следвате приемника, който открива най -високото напрежение, а още по -добър начин е да поставите три приемника и да ги поставите като LDR, за да знаете в кои посоки се излъчва сигналът на потребителя (прав, ляво или дясно).