Utrasonic -välttämisrobotti Arduinon avulla: 7 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Tässä opetusohjelmassa näytän sinulle, kuinka tehdä oma este robotin välttämiseksi! Käytämme Arduino UNO -levyä ja ultraäänianturia. Jos robotti havaitsee edessään olevan esineen pienen servomoottorin avulla, se skannaa alueen vasemmalle ja oikealle löytääkseen parhaan tavan kääntyä. Siinä on myös ilmoitus -LED, summeri, joka soittaa äänen, kun kohde havaitaan, ja painike robotin toiminnon muuttamiseksi (pysäytetty/eteenpäin).

Se on erittäin helppo tehdä!

Vaihe 1: Asioita, jotka on tehtävä

Tätä projektia varten tarvitset:

1. Arduino UNO (osta se osoitteesta gearbest.com)
2. Mini leipälauta (osta se gearbest.com)
3. L298 -moottorin ohjainmoduuli (osta se osoitteesta gearbest.com)
4. 2x tasavirtamoottorit pyörillä HC-SR04-ultraäänianturi (osta se gearbest.com)
5. Mikroservomoottori (osta se osoitteesta gearbest.com)
6. Painike Punainen LED220 ohmin vastus 9V paristopidike (virtaliitännällä tai ilman)
7. 8 välilevyä (uros-nainen),
8. 8 mutteria ja 8 ruuvia tarvitset myös yhden ison (metalli)

paperiliitin ja helmi takatukipyörän valmistamiseksi.

Robottikannassa käytin Aliexpressin Acryllic Chasista. Voit myös käyttää puuta tai metallia (tai kahta sähkölevyä).

Koko projektin hinta on noin 20 dollaria

Työkalut: Porakoneen liimamiehistön kuljettajan kuuma pistooliliima (valinnainen) Teho:

Käytämme 9 V: n akkua robottimme käynnistämiseen, koska se on pieni ja halpa, mutta se ei ole kovin tehokas ja tyhjenee noin tunnin kuluttua. Harkitse, haluatko käyttää ladattavaa akkua (min. 6 V, enintään 7 V), joka on tehokkaampi, mutta myös kalliimpi ja suurempi kuin 9 V: n akku.

Vaihe 2: Käsitteiden ymmärtäminen

Tavoitteena on saada robotti tietoiseksi edessä olevista esteistä, jotta hän voi muuttaa suuntaa ja välttää niitä. Edellisessä artikkelissa saimme robotin liikkumaan - nyt annamme hänelle jonkin verran itsenäisyyttä.

Ultraäänianturi

HC-SR04 on piiri, joka pystyy mittaamaan etäisyyden enintään 4 metrin kohteisiin ultraääniaaltojen avulla. Se lähettää pingin (kuten sukellusveneen) ja mittaa ajan (mikrosekunneissa) lähettämisen ja vastaanottamisen välillä. Tämä aika jaetaan sitten kahdella, kun aalto kulkee edestakaisin. Jaa sitten 29: llä, jotta saat etäisyyden senttimetreinä (tai 74 tuumaa), koska ääni kulkee 29,4 µs senttimetriä kohti (340 m/s). Anturi on erittäin tarkka ~ 3 mm: n toleranssilla ja helppo integroida Arduinon kanssa.

Liitäntä ultraääni -anturi AVR -mikrokontrollerilla

Kaikilla itsenäisillä roboteilla tulee olla esteiden välttäminen ja etäisyysmittausanturi. IR-lähetin-vastaanotinpari tai harmaasävy-anturi voivat helposti työskennellä esteiden havaitsemiseksi alueella 1 cm-10 cm. IR -etäisyysmittarit (esimerkiksi terävät) voivat mitata etäisyyden lähimpään esteeseen, jonka kantama on jopa 100 cm. Auringonvalo ja muut valonlähteet vaikuttavat kuitenkin IR -antureihin. IR -etäisyysmittarilla on pienempi kantama ja se on myös kallista. Ultraäänianturit (tunnetaan myös nimellä ultraääni -läheisyysanturit tai kaikuluotaimet) tekevät molemmat nämä tehtävät kohtuulliseen hintaan ja poikkeuksellisen tarkasti. Alue on 3–350 cm, tarkkuus ~ 3 mm. Sitomalla yhden näistä ultraääniantureista robottiimme se voi toimia sekä esteiden välttäjänä että etäisyyden mittausanturina.

”Ultraääni” -äänellä tarkoitetaan mitä tahansa kuuluvan äänen taajuuksien yläpuolella olevaa, ja se sisältää nimellisesti mitä tahansa yli 20 000 Hz tai 20 kHz! Robotiikassa käytettävät edulliset ultraääni -anturit toimivat yleensä alueella 40 kHz - 250 kHz, kun taas lääketieteellisissä laitteissa käytetyt anturit ovat jopa 10 MHz.

Vaihe 3: Tarvittavat työkalut

1. Yleismittari
2. Leipälauta
3. Neulan nenäpihdit
4. Johtosuojus
5. Lankaleikkuri
6. Liimapistooli

Yleismittari Yleismittari on itse asiassa yksinkertainen laite, jota käytetään ensisijaisesti jännitteen ja vastuksen mittaamiseen ja piirin sulkeutumisen määrittämiseen. Samoin kuin tietokoneen koodin virheenkorjaus, yleismittari auttaa sinua "virheenkorjaamaan" elektronisia piirejäsi.

Rakennusmateriaalit

Helposti saatavilla oleva ohuen puun ja/tai pleksilasin tarjonta mekaanisen kehyksen valmistamiseksi on erittäin hyödyllistä. Metallit, kuten alumiini ja teräs, rajoittuvat usein niihin, joilla on pääsy konepajaan, vaikka ohut alumiini voidaan leikata saksilla ja taivuttaa käsin. Mekaaniset kehykset voidaan rakentaa jopa kotitaloustarvikkeista, kuten muoviastioista.

Vaikka muut materiaalit, kuten muovit (pleksilasia lukuun ottamatta) tai eksoottisemmat materiaalit, kuten lasikuitu ja hiilikuitu, ovat mahdollisia, niitä ei oteta huomioon tässä oppaassa. Useat valmistajat ovat huomanneet, että useimpien harrastajien ei ole helppoa valmistaa omia mekaanisia osia, ja he ovat luoneet modulaarisia mekaanisia osia. Johtaja tässä on Lynxmotion, joka tarjoaa laajan valikoiman robottimalleja sekä tarvittavia osia omien mukautettujen robottien tekemiseen.

Käsityökalut

Eri tyyppiset ja kokoiset ruuvimeisselit ja pihdit (mukaan lukien jalokivikauppiaan työkalusarja: pienet ruuvimeisselit, joita on yleisesti saatavana dollarin myymälöissä) ovat välttämättömiä. Pora (mieluiten porauspuristin suoria reikiä varten) on myös tärkeä. Käsisaha rakennusmateriaalien (tai jyrsimen) leikkaamiseen on myös tärkeä voimavara. Jos budjetti sallii, pieni pöytälevysaha (200 dollaria) on ehdottomasti harkittava työkalu.

Juoton leipälauta

Juotoslevytön avulla voit optimoida asettelusi ja liittää komponentit helposti. Juotottoman leipälevyn ohella sinun tulee ostaa valmiiksi muodostettu hyppyjohtosarja, joka koostuu valmiiksi leikatusta ja taivutetusta langasta, joka on tarkoitettu käytettäväksi juotottoman leipälevyn kanssa. Tämä tekee yhteyksistä erittäin helppoja.

Pieni ruuvimeisselisarja

Nämä pienet ruuvimeisselit ovat välttämättömiä, kun työskentelet elektroniikan kanssa. Älä kuitenkaan pakota niitä liikaa - niiden koko tekee niistä hauraampia.

Tavallinen ruuvimeisselisarja

Kaikki työpajat tarvitsevat monityökalun tai työkalusarjan, joka sisältää litteät / ristipäät ja muut ruuvimeisselipäät.

Neulan nenäpihdit

Neulan kärkipihdit ovat uskomattoman hyödyllisiä työskenneltäessä pienten komponenttien ja osien kanssa, ja ne ovat erittäin edullinen lisä työkalupakkiisi. Nämä eroavat tavallisista pihdeistä, koska ne tulevat pisteeseen, joka voi päästä pienille alueille.

Langanpoistimet/leikkurit

Aiot katkaista kaikki johdot, langanpoistaja säästää huomattavasti aikaa ja vaivaa. Langanpoistaja, kun sitä käytetään oikein, poistaa vain kaapelin eristyksen eikä aiheuta taitoksia tai vaurioita johtimia. Toinen vaihtoehto langanpoistimelle on sakset, vaikka lopputulos voi olla sotkuinen. Sakset, viivotin, kynä, merkkikynä, Exacto -veitsi (tai muu käsikäyttöinen leikkuutyökalu) Nämä ovat välttämättömiä kaikissa toimistoissa.

Vaihe 4: Ohjeet AVR: n koodaamiseen

Äänen nopeuden laskeminen suhteessa ultraääni -antureihin

Pientä matematiikkaa, mutta älä pelkää. Se on yksinkertaisempaa kuin luulet.

Äänen nopeus kuivassa ilmassa huoneenlämmössä (~ 20 ° C) = 343 metriä/sekunti

Jotta ääniaalto osuisi ja tekisi edestakaisen matkan läheiseen kohteeseen, on = 343/2 = 171,5 m/koska halvan ultraäänianturin suurin kantama on enintään 5 metriä (edestakainen matka), olisi järkevämpää muuta yksiköt senttimetreiksi ja mikrosekunteiksi.

1 metri = 100 senttimetriä 1 sekunti = 10^6 mikrosekuntia = (s/171,5) x (m/100 cm) x ((1x10^6)/s) = (1/171,5) x (1/100) x (1000000/ 1) = 58.30903790087464 us/cm = 58.31 us/cm (pyöristetään kahteen numeroon laskelmien helpottamiseksi)Siksi pulssin kulkeminen kohteeseen ja palautuminen 1 senttimetri on 58,31 mikrosekuntia.

AVR -kellosyklien pieni tausta

AVR -kellosyklien ymmärtäminen vie aivan toisen luvun, mutta ymmärrämme lyhyesti, miten se toimii laskelmien helpottamiseksi

Esimerkissämme käytämme AVR Draco -korttia, jossa on 8-bittinen AVR-Atmega328P-mikrokontrolleri. Jotta asiat pysyisivät yksinkertaisina, emme säädä mikro -ohjaimen asetuksia. Ei sulakkeen osia koskettanut; Ei kiinnitetty ulkoista kideä; Ei päänsärkyä. Tehdasasetuksissa se toimii sisäisellä 8 MHz: n oskillaattorilla, jossa on esivahvistin /8; Jos et ymmärrä tätä kaikkea, se tarkoittaa yksinkertaisesti sitä, että mikrokontrolleri toimii 1 MHz: n sisäisellä RC -oskillaattorilla ja jokainen kellosykli kestää 1 mikrosekunnin.

1 2 1MHz = 1000000 sykliä sekunnissa Siksi 1s/1000000 = 1/1000000 = 1us

AVR -kellot ja etäisyyden muuntaminen

Olemme melkein siellä! Kun tiedämme, miten AVR -kellosyklit voidaan muuntaa ääniaaltojen kuljettamaan etäisyyteen, logiikan toteuttaminen ohjelmassa on helppoa.

Tiedämme, että ultraäänen nopeus ihanteellisessa ympäristössä on: 58,31 us/cm

Tiedämme, että AVR -mikrokontrollerin resoluutio on 1US/kellojakso (CLK)

Siksi äänen kuljettu matka kellojaksoa kohti (CLK) on:

1 2 3 = (58,31 us/ cm) x (1us/ clk) = 58,31 kellosykliä/ cm tai = 1/58,31 cm/ clk

Jos tiedetään, kuinka monta kellokierrosta ääni kulkee ja palaa takaisin, voimme helposti laskea etäisyyden. Jos esimerkiksi anturi kulkee 1000 kellosykliä matkustaakseen ja palatakseen takaisin, etäisyys anturista lähimpään kohteeseen on = 1000/58,31 = 17,15 cm (noin)

Onko kaikessa nyt järkeä? Ei? Lue se uudelleen

Jos ymmärrät kaikki edellä mainitut logiikat, toteutamme sen reaalimaailman skenaariossa liittämällä edullinen HC-SR04-ultraäänianturi AVR Arduino -korttiin.

Vaihe 5: Laitteistoyhteydet:

Arduino Board helpottaa ulkoisten antureiden liittämistä ja tulosten tarkastelua nestekidenäytöllä. Ultraäänialueen tunnistamiseen käytämme halpaa HC-SR04-moduulia. Moduulissa on 4 nastaa, jotka voidaan liittää mikrokorttiin: VCC, TRIG, ECHO ja GND.

Liitä VCC -nasta 5 V: iin ja GND -nasta Arduino -kortin maahan.

TRIG -nasta ja ECHO -nasta voidaan liittää mihin tahansa levyn käytettävissä olevaan nastaan. Vähintään 10us "korkean" signaalin lähettäminen nastan laukaisemiseksi lähettää kahdeksan 40 kHz: n ääniaaltoa ja nostaa kaiun korkealle. Jos ääni pomppii läheiseltä esineeltä ja palaa, se kaapataan vastaanottavalla kaikuanturilla ja kaiutappi vedetään "matalalle".

Muita ultraäänianturimoduulivaihtoehtoja on saatavana vain 3 nastaa käyttäen. Toimintaperiaate on edelleen sama, mutta liipaisimen ja kaiun tapit on yhdistetty yhdeksi tapiksi.

Kun liitäntä on muodostettu, liipaisimet ja kaiun nastat voidaan konfiguroida ohjelmiston avulla. Jotta tämä esimerkki olisi yksinkertainen, tässä esimerkissä emme käytä keskeytystappeja (tai Input Capture Pin). Jos nimettyjä keskeytystappeja ei käytetä, voimme myös vapaasti kytkeä moduulin mihin tahansa käytettävissä oleviin tappeihin.

Vaihe 6: Koodi

Koodi Alla oleva koodi sisältää vain "ultraääni" laajennuksen DC-moottorin ohjaukseen käyttämällä edellisen artikkelin H-siltaa. Kun robotti havaitsee sen edessä olevan esteen, hän kääntyy ympäri (satunnaisesti) ja jatkaa eteenpäin. Tätä toimintoa voidaan helposti laajentaa niin, että se kääntyy ja havaitsee esteitä samanaikaisesti - joten robotti ei käänny satunnaisesti, vaan alkaa siirtyä eteenpäin vasta, kun kohdetta ei havaita.

Katso koodin selitykset kanavalla olevasta Youtube -videosta.

Vaihe 7: Video

Katso video koko prosessista.