DIY -seinänseurantarobotti: 9 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Tässä opetusohjelmassa selitämme, miten suunnitellaan esteiden havaitsemis- ja välttämisjärjestelmä GreenPAK ™ -tekniikan ja muutamien ulkoisten ultraääni- ja infrapuna -anturien avulla. Tämä malli esittelee joitain aiheita, joita tarvitaan itsenäisille ja keinotekoisesti älykkäille robottijärjestelmille.

Alla kuvailimme vaiheita, joita tarvitaan ymmärtämään, miten ratkaisu on ohjelmoitu luomaan seinää seuraava robotti. Jos haluat vain saada ohjelmoinnin tuloksen, lataa GreenPAK -ohjelmisto nähdäksesi jo valmistuneen GreenPAK -suunnittelutiedoston. Liitä GreenPAK -kehityssarja tietokoneeseesi ja paina ohjelmaa luodaksesi seinää seuraavan robotin.

Vaihe 1: Ongelmailmoitus

Kiinnostus tekoälyä kohtaan on äskettäin lisääntynyt, ja suuri osa kiinnostuksesta on suunnattu täysin itsenäisille ja älykkäille koneille. Tällaiset robotit voivat minimoida ihmisten vastuun ja laajentaa automaation koskemaan esimerkiksi julkisia palveluja ja puolustusta. Tekoälyn tutkijat yrittävät automatisoida palveluja, kuten palontorjuntaa, sairaanhoitoa, katastrofinhallintaa ja hengenpelastustehtäviä itsenäisten robottiajoneuvojen avulla. Yksi haaste, joka näiden ajoneuvojen on voitettava, on se, kuinka havaita ja välttää esteitä, kuten raunioita, tulipaloja, sudenkuoppia jne.

Vaihe 2: Toteutustiedot

Tässä opetusohjelmassa käytämme ultraääni-anturia, paria IR-esteiden tunnistusantureita, moottorin ohjainpiiriä (L298N), neljää tasavirtamoottoria, pyörää, nelivetoista auton luurankoa ja GreenPAK SLG46620V -piiriä.

GreenPAK -ohjaimen digitaalista ulostulonappia käytetään ultraäänianturin (alias kaikuluotain) laukaisemiseen, ja digitaalista tulotappia käytetään keräämään tuloksena oleva kaiku edessä olevista esteistä analysointia varten. Myös IR -esteenilmaisimen lähtö havaitaan. Jos tiettyjen ehtojen asettamisen jälkeen este on liian lähellä, moottoreita (jokaiseen neljään pyörään kytkettyä) säädetään törmäyksen välttämiseksi.

Vaihe 3: Selitys

Autonomisen esteiden välttämisen robotin on kyettävä sekä havaitsemaan esteet että välttämään törmäykset. Tällaisen robotin suunnittelu edellyttää erilaisten antureiden, kuten törmäysanturien, infrapuna -anturien, ultraääni -antureiden, integrointia. Asentamalla nämä anturit robottiin se voi saada tietoa ympäröivästä alueesta. Ultraäänianturi soveltuu esteiden havaitsemiseen hitaasti liikkuvalle itsenäiselle robotille, koska sillä on alhaiset kustannukset ja suhteellisen korkea kantama.

Ultraäänianturi tunnistaa esineet lähettämällä lyhyen ultraäänipurskeen ja kuuntelemalla sitten kaiun. Isäntämikro -ohjaimen ohjauksessa anturi lähettää lyhyen 40 kHz: n pulssin. Tämä pulssi kulkee ilman läpi, kunnes se osuu esineeseen ja heijastuu sitten takaisin anturiin. Anturi antaa lähtösignaalin isännälle, joka päättyy, kun kaiku havaitaan. Tällä tavalla palautetun pulssin leveyttä käytetään etäisyyden laskemiseen kohteeseen.

Tämä esteiden välttämisen robottiajoneuvo käyttää ultraäänianturia havaitakseen tiellä olevia esineitä. Moottorit on kytketty moottorinohjaimen IC: n kautta GreenPAKiin. Ultraäänianturi on kiinnitetty robotin etuosaan, ja kaksi IR -esteetunnistinta on kiinnitetty robotin vasemmalle ja oikealle puolelle havaitsemaan sivuesteet.

Kun robotti liikkuu halutulla reitillä, ultraäänianturi lähettää jatkuvasti ultraääniaaltoja. Aina kun este on robotin edessä, ultraääniaallot heijastuvat takaisin esteestä ja tiedot välitetään GreenPAKille. Samaan aikaan IR -anturit lähettävät ja vastaanottavat infrapuna -aaltoja. Tulkittuaan ultraääni- ja IR -antureiden tulot GreenPAK ohjaa jokaisen neljän pyörän moottoreita.

Vaihe 4: Algoritmin kuvaus

Käynnistyksen yhteydessä neljä moottoria käynnistetään samanaikaisesti, jolloin robotti siirtyy eteenpäin. Seuraavaksi ultraäänianturi lähettää pulsseja robotin edestä säännöllisin väliajoin. Jos este on läsnä, äänipulssit heijastuvat ja anturi havaitsee ne. Pulssien heijastuminen riippuu esteen fyysisestä tilasta: jos se on muodoltaan epäsäännöllinen, heijastuneet pulssit ovat vähemmän; jos se on yhtenäinen, suurin osa lähetetyistä pulsseista heijastuu. Heijastus riippuu myös esteen suunnasta. Jos se on hieman kallistettu tai sijoitettu rinnan anturin kanssa, suurin osa ääniaalloista kulkee heijastumatta.

Kun este havaitaan robotin edessä, infrapuna -antureiden sivulähdöt havaitaan. Jos este havaitaan oikealla puolella, robotin vasemmanpuoleiset renkaat poistetaan käytöstä, jolloin robotti kääntyy vasemmalle ja päinvastoin. Jos estettä ei havaita, algoritmi toistetaan. Vuokaavio on esitetty kuvassa 2.

Vaihe 5: Ultraäänianturi HC-SR04

Ultraäänianturi on laite, joka voi mitata etäisyyden kohteeseen käyttämällä ääniaaltoja. Se mittaa etäisyyden lähettämällä ääniaallon tietyllä taajuudella ja kuuntelemalla, että ääni -aalto palaa takaisin. Tallentamalla syntyneen ääniaallon ja taaksepäin palaavan ääniaallon välinen aika on mahdollista laskea etäisyys kaikuluotaintunnistimen ja kohteen välillä. Ääni kulkee ilman läpi noin 344 m/s (1129 ft/s), joten voit laskea etäisyyden kohteeseen käyttämällä kaavaa 1.

HC-SR04-ultraäänianturi koostuu neljästä nastasta: Vdd, GND, Trigger ja Echo. Aina kun ohjaimen pulssi kohdistetaan liipaisintappiin, anturi lähettää ultraääniaaltoa "kaiuttimesta". "Vastaanotin" havaitsee heijastuneet aallot ja lähettää ne takaisin ohjaimeen Echo -nastan kautta. Mitä pidempi etäisyys anturin ja esteen välillä on, sitä pidempi pulssi Echo -tapissa on. Pulssi pysyy päällä sen ajan, kun kaikuluotaimen pulssi kulkee anturista ja palaa takaisin, jaettuna kahdella. Kun luotain laukaistaan, sisäinen ajastin käynnistyy ja jatkuu, kunnes heijastunut aalto havaitaan. Tämä aika jaetaan sitten kahdella, koska todellinen aika, jonka ääniaalto saavutti esteen saavuttamiseen, oli puolet ajastimen käynnistysajasta.

Ultraäänianturin toiminta on esitetty kuvassa 4.

Ultraäänipulssin tuottamiseksi liipaisin on asetettava HIGH -tilaan 10μs. Se lähettää 8-tahtisen äänipurskeen, joka heijastuu kaikista laitteen edessä olevista esteistä ja vastaanotetaan anturin toimesta. Kaiku -nasta lähettää ajan (mikrosekunneissa), jonka ääniaalto kulki.

Vaihe 6: Infrapunaesteiden tunnistusmoduuli

Kuten ultraäänianturi, myös infrapuna (IR) esteiden havaitsemisen peruskäsite on lähettää IR -signaali (säteilyn muodossa) ja tarkkailla sen heijastumista. IR -anturimoduuli on esitetty kuvassa 6.

ominaisuudet

• Piirilevyssä on esteen merkkivalo
• Digitaalinen lähtösignaali
• Tunnistusetäisyys: 2 ~ 30 cm
• Tunnistuskulma: 35 °
• Vertailusiru: LM393
• Säädettävä tunnistusetäisyys potentiometrin avulla:

○ myötäpäivään: Suurenna tunnistusetäisyyttä

○ Vastapäivään: lyhennä havaitsemisetäisyyttä

Tekniset tiedot

• Käyttöjännite: 3-5 V DC
• Lähtötyyppi: Digitaalinen kytkentälähtö (0 ja 1)
• 3 mm ruuvinreiät helpottaa asennusta
• Levyn koko: 3,2 x 1,4 cm

Merkkivalo Kuvaus on kuvattu taulukossa 1.

Vaihe 7: Moottorin ohjainpiiri L298N

Moottorin ohjainpiiriä tai H-siltaa käytetään DC-moottoreiden nopeuden ja suunnan säätämiseen. Siinä on kaksi sisääntuloa, jotka on liitettävä erilliseen tasavirtalähteeseen (moottorit kuluttavat voimakasta virtaa, eikä niitä voida syöttää suoraan säätimestä), kaksi lähtösarjaa kullekin moottorille (positiivinen ja negatiivinen), kaksi käyttötapaa kullekin lähdöt ja kaksi nastasarjaa jokaisen moottorin ulostulon suuntaohjausta varten (kaksi nastaa kullekin moottorille). Jos vasemmanpuoleisimmille kahdelle tapille on annettu logiikkatasot HIGH toiselle tapille ja LOW toiselle, vasempaan ulostuloon liitetty moottori pyörii yhteen suuntaan ja jos logiikkajärjestys on päinvastainen (LOW ja HIGH), moottorit pyörivät päinvastaiseen suuntaan. Sama koskee oikeanpuoleisimpia tappeja ja oikeaa ulostulomoottoria. Jos parin molemmille nastoille on annettu logiikkatasot HIGH tai LOW, moottorit pysähtyvät.

Tämä kaksisuuntainen moottorinohjain perustuu erittäin suosittuun L298 Dual H-Bridge -moottorin ohjainpiiriin. Tämän moduulin avulla voit helposti ja itsenäisesti ohjata kahta moottoria molempiin suuntiin. Se käyttää vakio-logiikkasignaaleja ohjaukseen ja voi käyttää kaksivaiheisia askelmoottoreita, nelivaiheisia askelmoottoreita ja kaksivaiheisia tasavirtamoottoreita. Siinä on suodatinkondensaattori ja vapaakierrosdiodi, joka suojaa piirin laitteita vaurioitumiselta induktiivisen kuorman paluuvirralla ja parantaa luotettavuutta. L298: n ohjainjännite on 5-35 V ja logiikkataso 5 V.

Moottorin ohjaimen toiminta on kuvattu taulukossa 2.

Lohkokaavio, joka esittää liitännät ultraäänianturin, moottorin ohjaimen ja GPAK -sirun välillä, on esitetty kuvassa 8.

Vaihe 8: GreenPAK -suunnittelu

Matriisissa 0 anturin liipaisutulo luotiin käyttämällä CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 ja oskillaattoria. Ultraäänianturin Echo -nastan tulo luetaan Pin3: n avulla. Kolme tuloa käytetään 3-bittisessä LUT0: ssa: yksi Echosta, toinen liipaisimesta ja kolmas on liipaisutulon viivästyminen 30 meistä. Tämän hakutaulukon lähtöä käytetään matriisissa 1. IR-antureiden lähtö otetaan myös matriisista 0.

Matriisissa 1 portit P1 ja P6 on TAI yhdistetty toisiinsa ja kytketty nastaan 17, joka on kiinnitetty moottorin ohjaimen nastaan 1. Pin18 on aina logiikalla LOW ja se on kytketty moottorin ohjaimen nastaan 2. Samoin portit P2 ja P7 on TAI yhdistetty GreenPAKin nastaan 20, joka on kiinnitetty moottorin ohjainpiirin P3: een. Pin19 on kytketty moottorin ohjaimen nastaan 4 ja on aina logiikalla LOW.

Kun Echo -tappi on KORKEA, se tarkoittaa, että esine on robotin edessä. Robotti tarkistaa IR -anturien vasemman ja oikean esteen. Jos este on myös robotin oikealla puolella, se kääntyy vasemmalle ja jos este on vasemmalla puolella, se kääntyy oikealle. Tällä tavalla robotti välttää esteitä ja liikkuu ilman törmäystä.

Johtopäätös

Tässä Instructable -ohjelmassa loimme yksinkertaisen automaattisen esteiden havaitsemis- ja välttämisajoneuvon, joka käytti GreenPAK SLG46620V: tä pääohjauselementtinä. Joillakin lisäpiireillä tätä suunnittelua voitaisiin parantaa suorittamaan muita tehtäviä, kuten polun löytäminen tiettyyn pisteeseen, sokkelonratkaisualgoritmi, rivinseuraava algoritmi jne.

Vaihe 9: Laitteistokuvat