Robot de seguiment de paret de bricolatge: 9 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

En aquesta instrucció, explicarem com dissenyar un sistema de detecció i evitació d’obstacles mitjançant un GreenPAK ™ juntament amb uns quants sensors externs d’ultrasons i infrarojos (IR). Aquest disseny introduirà alguns temes necessaris per a sistemes robòtics autònoms i intel·ligents artificialment.

A continuació es descriuen els passos necessaris per entendre com s'ha programat la solució per crear un robot seguint la paret. Tot i això, si només voleu obtenir el resultat de la programació, descarregueu-vos el programari GreenPAK per veure el fitxer de disseny GreenPAK ja completat. Connecteu el kit de desenvolupament GreenPAK a l'ordinador i premeu el programa per crear el robot següent de la paret.

Pas 1: declaració del problema

Recentment s’ha renovat l’interès per la intel·ligència artificial i gran part d’aquest interès es dirigeix cap a màquines totalment autònomes i intel·ligents. Aquests robots poden minimitzar la responsabilitat humana i estendre l'automatització a camps com els serveis civils i la defensa. Els investigadors d’IA intenten automatitzar serveis com la lluita contra incendis, l’atenció mèdica, la gestió de desastres i tasques de salvament mitjançant vehicles robotitzats autònoms. Un dels reptes que han de superar aquests vehicles és com detectar i evitar amb èxit obstacles com runes, incendis, trampes, etc.

Pas 2: detalls de la implementació

En aquest manual, farem servir un sensor d’ultrasons, un parell de sensors de detecció d’obstacles IR, un circuit de control de motor (L298N), quatre motors de corrent continu, rodes, un esquelet de cotxe amb tracció a les quatre rodes i un xip GreenPAK SLG46620V.

Un pin de sortida digital del controlador GreenPAK s'utilitza per activar el sensor d'ultrasons (també conegut com a sonar) i un pin d'entrada digital s'utilitza per recollir el ressò resultant dels obstacles que hi ha a continuació per a l'anàlisi. També s’observa la sortida del sensor de detecció d’obstacles IR. Després d’aplicar un conjunt de condicions, si hi ha un obstacle massa a prop, els motors (connectats a cadascuna de les 4 rodes) s’ajusten per evitar la col·lisió.

Pas 3: explicació

El robot autònom per evitar obstacles ha de ser capaç de detectar obstacles i evitar col·lisions. El disseny d’aquest robot requereix la integració de diferents sensors, com ara sensors de cops, sensors d’infrarojos, sensors d’ultrasons, etc. En muntar aquests sensors al robot, es pot obtenir informació sobre la zona circumdant. Un sensor d'ultrasons és adequat per a la detecció d'obstacles per a un robot autònom de moviment lent, ja que té un cost baix i un abast relativament elevat.

Un sensor d'ultrasons detecta objectes emetent una ràpida ràpida d'ultrasons i després escolta el ressò. Sota el control d’un microcontrolador amfitrió, el sensor emet un impuls curt de 40 kHz. Aquest pols viatja a través de l’aire fins que toca un objecte i després es reflecteix cap al sensor. El sensor proporciona un senyal de sortida a l'amfitrió que finalitza quan es detecta l'eco. D’aquesta manera, l’amplada del pols retornat s’utilitza per calcular la distància a l’objecte.

Aquest vehicle robòtic d'evitació d'obstacles utilitza un sensor d'ultrasons per detectar objectes al seu pas. Els motors es connecten mitjançant un controlador IC del motor al GreenPAK. El sensor d’ultrasons s’uneix a la part frontal del robot i els dos sensors de detecció d’obstacles IR s’uneixen als costats esquerre i dret del robot per detectar obstacles laterals.

A mesura que el robot es mou pel camí desitjat, el sensor ultrasònic transmet contínuament ones ultrasòniques. Sempre que hi ha un obstacle davant del robot, les ones ultrasòniques es reflecteixen des de l’obstacle i aquesta informació es transmet al GreenPAK. Simultàniament, els sensors IR emeten i reben ones IR. Després d’interpretar les entrades dels sensors d’ultrasons i IR, el GreenPAK controla els motors de cadascuna de les quatre rodes.

Pas 4: Descripció de l'algorisme

A l’arrencada, els quatre motors s’encenen simultàniament, cosa que fa que el robot avanci. A continuació, el sensor d'ultrasons envia impulsos des de la part frontal del robot a intervals regulars. Si hi ha un obstacle, els polsos sonors es reflecteixen i són detectats pel sensor. La reflexió dels polsos depèn de l'estat físic de l'obstacle: si té una forma irregular, els polsos reflectits seran menys; si és uniforme, es reflectiran la majoria dels impulsos transmesos. La reflexió també depèn de la direcció de l'obstacle. Si està lleugerament inclinat o col·locat en paral·lel amb el sensor, la majoria de les ones sonores passaran sense reflectir-les.

Quan es detecta un obstacle davant del robot, s’observen les sortides laterals dels sensors IR. Si es detecta un obstacle al costat dret, els pneumàtics del costat esquerre es desactiven, cosa que fa que giri cap a l'esquerra i viceversa. Si no es detecta cap obstacle, es repeteix l'algorisme. El diagrama de flux es mostra a la figura 2.

Pas 5: sensor d'ultrasons HC-SR04

Un sensor d'ultrasons és un dispositiu que pot mesurar la distància a un objecte mitjançant l'ús d'ones de so. Mesura la distància enviant una ona sonora a una freqüència específica i escoltant perquè aquesta ona sonora es reboti. En registrar el temps transcorregut entre l’ona sonora que es genera i l’ona sonora que rebota, és possible calcular la distància entre el sensor sonar i l’objecte. El so viatja a través de l’aire a uns 344 m / s (1129 ft / s), de manera que podeu calcular la distància a l’objecte mitjançant la Fórmula 1.

El sensor ultrasònic HC-SR04 consta de quatre pins: Vdd, GND, Trigger i Echo. Sempre que s'aplica un pols del controlador al pin Trigger, el sensor emet una ona d'ultrasò d'un "altaveu". Les ones reflectides són detectades pel "receptor" i es transmeten de nou al controlador mitjançant el pin Echo. Com més gran sigui la distància entre el sensor i un obstacle, més llarg serà el pols al pin Echo. El pols roman activat durant el temps que triga el pols del sonar en viatjar des del sensor i tornar enrere, dividit per dos. Quan s’activa el sonar, s’inicia un temporitzador intern i continua fins que es detecta l’ona reflectida. Aquest temps es divideix per dos, ja que el temps real que va trigar l’ona sonora a arribar a l’obstacle va ser la meitat del temps que va estar activat el temporitzador.

El funcionament del sensor d'ultrasons es mostra a la figura 4.

Per generar el pols ultrasònic, heu d’establir el disparador a un estat ALT per a 10 μs. Això enviarà una ràfega sonora de 8 cicles, que es reflectirà davant de qualsevol obstacle davant del dispositiu i serà rebuda pel sensor. El pin Echo emetrà el temps (en microsegons) que va recórrer l’ona sonora.

Pas 6: mòdul del sensor de detecció d’obstacles per infrarojos

Igual que el sensor d'ultrasons, el concepte bàsic de detecció d'obstacles infrarojos (IR) és transmetre un senyal IR (en forma de radiació) i observar-ne el reflex. El mòdul del sensor IR es mostra a la Figura 6.

Característiques

• Hi ha un llum indicador d’obstacles a la placa de circuits
• Senyal de sortida digital
• Distància de detecció: 2 ~ 30 cm
• Angle de detecció: 35 °
• Xip comparador: LM393
• Rang de distància de detecció ajustable mitjançant potenciòmetre:

○ En sentit horari: augmenta la distància de detecció

○ En sentit antihorari: redueix la distància de detecció

Especificacions

• Voltatge de treball: 3 - 5 V CC
• Tipus de sortida: sortida de commutació digital (0 i 1)
• Forats de cargol de 3 mm per facilitar el muntatge
• Mida del tauler: 3,2 x 1,4 cm

Descripció de l’indicador de control descrita a la taula 1.

Pas 7: Circuit del controlador de motor L298N

El circuit de controlador de motor, o pont H, s’utilitza per controlar la velocitat i la direcció dels motors de corrent continu. Té dues entrades que s’han de connectar a una font d’alimentació CC separada (els motors consumeixen intensitat i no es poden subministrar directament des del controlador), dos conjunts de sortides per a cada motor (positiu i negatiu), dos pins d’activació per a cada un conjunt de sortides i dos jocs de pins per al control de direcció de cada sortida del motor (dos pins per a cada motor). Si es donen nivells lògics als dos pins més a l’esquerra per a un pin i BAIX per a l’altre, el motor connectat a la sortida esquerra girarà en una direcció i, si la seqüència de la lògica s’inverteix (BAIX i ALT), els motors giraran en sentit contrari. El mateix s'aplica als passadors de la dreta i al motor de sortida dret. Si els dos pins del parell tenen nivells lògics ALTA o BAIXA, els motors s’aturaran.

Aquest controlador de motor bidireccional dual es basa en el molt popular IC de controlador de motor de pont H dual L298. Aquest mòdul permet controlar fàcilment i independentment dos motors en ambdues direccions. Utilitza els senyals lògics estàndard per al control i pot accionar motors pas a pas bifàsics, motors pas a pas quatrifàsics i motors CC de dues fases. Té un condensador de filtre i un díode de roda lliure que protegeix els dispositius del circuit de ser danyats pel corrent invers d’una càrrega inductiva, millorant la fiabilitat. El L298 té una tensió del controlador de 5-35 V i un nivell lògic de 5 V.

La funció del controlador del motor es descriu a la taula 2.

La figura 8 mostra el diagrama de blocs que mostra les connexions entre el sensor d’ultrasons, el controlador del motor i el xip GPAK.

Pas 8: disseny de GreenPAK

A Matrix 0, l'entrada de disparador del sensor es va generar mitjançant CNT0 / DLY0, CNT5 / DLY5, INV0 i l'oscil·lador. L’entrada del pin Echo del sensor d’ultrasons es llegeix mitjançant Pin3. S’apliquen tres entrades a LUT0 de 3 bits: una des d’Echo, una altra des del Trigger i una tercera que és l’entrada Trigger retardada per 30 us. La sortida d'aquesta taula de cerca s'utilitza a Matrix 1. La sortida dels sensors IR també es pren a Matrix 0.

A Matrix 1, els ports P1 i P6 estan OR’d junts i connectats al Pin17, que s’adjunta al Pin1 del controlador del motor. El Pin18 sempre té una lògica BAIXA i està connectat al Pin2 del controlador del motor. De la mateixa manera, els ports P2 i P7 s’ordenen junts i es connecten al Pin20 de GreenPAK, que s’adjunta a P3 del circuit del controlador del motor. Pin19 està connectat al Pin4 del controlador del motor i sempre està en lògica BAIXA.

Quan el pin Echo és ALT, vol dir que un objecte es troba davant del robot. A continuació, el robot comprova si hi ha obstacles esquerra i dreta provinents dels sensors IR. Si també hi ha un obstacle al costat dret del robot, gira a l'esquerra i si hi ha un obstacle al costat esquerre, gira a la dreta. D’aquesta manera, el robot evita obstacles i es mou sense col·lisió.

Conclusió

En aquest instructiu, hem creat un vehicle senzill de detecció i evitació d’obstacles automàtic que utilitza el GreenPAK SLG46620V com a element de control principal. Amb alguns circuits addicionals, aquest disseny es podria millorar per realitzar altres tasques com ara trobar un camí cap a un punt específic, un algorisme de resolució de laberint, un algoritme de seguiment de línia, etc.

Pas 9: imatges de maquinari