Matriu de radar estacionari (LIDAR) amb Arduino: 10 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Quan construïa un robot bíped, sempre pensava en tenir algun tipus de gadget genial que pugui rastrejar el meu oponent i fer moviments d’atac amb ell. Aquí ja existeixen grups de projectes de radar / lidar. No obstant això, hi ha algunes limitacions per al meu propòsit:

• Els mòduls de sensor d’ones per ultrasons són força grans. Tots els robots semblarien WALL-E.
• Els projectes actuals de radar inclouen un sensor (ones d'ultrasons, IR, làser, …) i un servomotor al centre. L’escaneig de l’entorn requereix que el servo es mogui d’un costat a l’altre. Moure coses endavant i endarrere crea canvis d’impuls, cosa dolenta per a l’equilibri bíped i la marxa.
• La freqüència d’escaneig està limitada per la velocitat del servo. Probablement només es poden aconseguir diversos hertzis. Fins i tot si algun super-servo pot augmentar la freqüència d’escaneig, això provocaria vibracions intenses.
• La disposició del [servomotor central - sensor] també limita la posició de muntatge i el disseny. És difícil muntar tal cosa que no sigui com un cap. La qual cosa fa que el meu bípede sembli cada vegada un WALL-E de sacsejades. No es guay!
• La disposició del [servo-sensor] també es pot construir com un estil [sensor del motor]. El sensor (o sensors) gira contínuament al llarg d’un eix del motor. Això pot eliminar els sacsejades d’impuls i problemes de freqüència d’escaneig baixa, però no la limitació del disseny del tors. La dificultat de cablejat també augmentaria substancialment.

Després de buscar, aquest petit sensor VL53L0X de ST va caure als meus ulls. En reclamar el sensor de distància de vol "més petit del món", la dimensió només és de 4,4 x 2,4 x 1,0 mm. Presentació

• Emissor i detector làser IR xip
• Abast de fins a 2 m (1,2 m en mode ràpid)
• Adreça I2C programable
• Un pin de sortida d'interrupció GPIO
• Segur per als ulls

Totes aquestes funcions especials combinades em van permetre superar els problemes anteriors, si una sèrie de sensors VL53L0X funcionessin. Originalment, vaig pensar que aquest radar s’anomenaria radar d’estat sòlid, però vaig descobrir que aquest terme s’utilitzava per a una altra cosa. Per tant, la paraula "estacionari" del títol significa que no hi ha parts mòbils en aquest aparell de radar. A més, mentre que LIDAR (detecció i abast de la llum) és el terme tècnicament correcte d’aquest xip, RADAR s’anomena aquí un terme més genèric.

La raó per la qual l'adreça I2C programable i el pin de sortida GPIO són fonamentals per a aquest projecte s'explica més endavant.

Pas 1: eines i peces

Eines

Les eines següents són necessàries en aquest projecte:

• Soldador
• Soldar les mans ajudants
• Eina de crimpat Dupont
• Controlador hexagonal d'1,5 mm
• Eina per eliminar el recobriment de filferro
• Tallador de filferro
• Pistola de cola calenta
• Pinces
• Lupa (física o aplicacions al telèfon)
• Alicates de nas pla

Parts

Les següents parts s’utilitzen en aquest projecte:

• 10 taules de sortida VL53L0X GY-530
• Un Arduino (Uno, Nano, Mega, Zero, Mini, … etc.)
• Una pissarra i alguns cables de la pissarra
• Cables AWG # 26 amb diferents colors
• AWG # 30 filferro de nucli únic
• Connectors machos Dupont 5x
• 5x carcasses Dupont de pin simple
• Suports de taulers de ruptura impresos en 3D 10x
• 1x marc circular imprès en 3D
• 10x cargols de cap pla M2x10
• 10x 0804 LED (blau recomanat)
• MOSFET 10 canals SOT-23 AO3400 de canal N
• Un condensador petit (10 ~ 100uF)

Tauler de ruptura

La placa de ruptura VL53L0X que he fet servir és GY-530. També hi ha versions Adafruit i Pololu disponibles. Si és factible, recomano utilitzar el producte d'Adafruit o Pololu perquè fabriquen productes fantàstics, tutorials fantàstics i excel·lents biblioteques de programari. He provat a la biblioteca VL53L0X d'Adafruit i he utilitzat una versió modificada de la biblioteca VL53L0X de Pololu.

Connectors Dupont

Els connectors dupont s’utilitzen per a la placa de control. Podeu utilitzar qualsevol altre tipus de connexió que tingueu entre mans.

Cargols i peces impreses en 3D

Els cargols M2, els suports i el marc circular s’utilitzen per col·locar els sensors en una disposició circular. Podeu utilitzar qualsevol altre mètode, com ara utilitzar tauletes de cartró, fustes modelades, fang o fins i tot enganxar-les en una llauna.

Pas 2: piratejar el tauler d’informació

Con de detecció

He utilitzat un sol mòdul per dibuixar el con de detecció. Utilitzar un robot imprès sobretot en 3D com a objectiu. La distància es mostra a la pantalla LED i es mesura aproximadament. Les dades mesurades s’enregistren en un fitxer de Microsoft Excel i s’utilitzen la funció d’ajust de corba. El millor ajust és una corba de logaritme natural, amb una distància efectiva de 3 cm a aproximadament 100 cm.

A 60 cm, la corba de detecció d’un sol sensor és d’uns 22 cm. Amb un objectiu de 20 cm d'amplada, una separació circular de 10 ~ 15 graus per a la matriu de radar hauria de donar una resolució d'escaneig acceptable.

Adreça I2C

Tot i que l'adreça del dispositiu VL53L0X I2C és programable, cal un control complet del pin XSHUT pel microcontrolador. La seqüència per fer-ho és:

1. La potència s'aplica a AVDD.
2. Tots els xips VL53L0X passen a l'estat Hw Standby (restabliment) conduint TOTS els seus pins XSHUT a BAIX.
3. Cada xip es treu de l'estat de reinici un a la vegada. L'adreça I2C per defecte després de l'arrencada és 0x52.
4. L'adreça del xip es canvia a una nova adreça mitjançant una ordre I2C. Per exemple, 0x52 ha canviat a 0x53.
5. Repetiu els passos 3 i 4 per a totes les fitxes.

Teòricament, es poden conduir un màxim de 126 unitats en el mateix bus per al rang d’adreces de 7 bits. Tanmateix, a la pràctica, la capacitat de bus i la limitació del corrent d’enfonsament del microcontrolador poden / haurien de limitar el nombre màxim de dispositius.

La nova adreça I2C no s’emmagatzema al xip VL53L0X si no s’apaga o es reinicia. Per tant, aquest procés s'ha de fer un cop a cada encès. Això significa que es necessita un preciós pin per a cada unitat de la matriu de radar. Això és massa antipàtic per al cablejat i el consum de pins, per a una cinta de radar amb més de 10 o 20 unitats.

Com s'ha esmentat a STEP1, és una sort que hi hagi un pin GPIO1 al xip VL53L0X, que originalment s'utilitzava per a la interrupció, que pot fer la feina.

Cadena de margarides GPIO-XSHUTN

La sortida GPIO es troba en estat d’impedància alta en arrencar i obre el drenatge a baixa mentre està activa. Els passadors GPIO i XSHUT s’eleven fins a AVDD a la placa de ruptura GY-530, tal com es recomana al full de dades. Per posar tots els xips VL53L0X de manera fiable a l’estat Hw Standby (amb XSHUT baix), necessitem una porta NO lògica (inversor) per a cada pin XSHUT. A continuació, connectem la sortida GPIO d’un xip (l’enèsim xip) al XSHUTN (XSHUT-NOT) del xip aigües avall (el xip N + 1).

En engegar-se, tots els pins GPIO (inactius) es treuen cap amunt, tots els pins XSHUT posteriors són conduïts per la porta NOT (excepte el xip molt important, on el pin XSHUTN està connectat al microcontrolador). El canvi d'adreça I2C i l'alliberament XSHUT del xip posterior es realitzen en un programari, un per un.

Si utilitzeu diferents taulers de ruptura, heu d’assegurar-vos que les resistències de tracció estan al seu lloc o no i fer els ajustos adequats.

Afegir un LED

Al següent pas, s’afegirà un petit LED SMD 0805 a la placa de ruptura, connectat des del pad XSHUT al terminal GND d’un condensador adjacent. Tot i que el LED en si no afecta el funcionament del mòdul, ens proporciona una bona indicació visual en el nivell lògic XSHUT.

Enganxar el LED en sèrie amb la resistència de tracció (10k en el meu cas) al pin XSHUT introduirà una caiguda de tensió. En lloc d'un nivell lògic alt de 3,3 v, la caiguda de tensió directa d'un LED 0805 vermell es mesura 1,6 v. Tot i que aquest voltatge és superior a l’alt nivell lògic (1,12 v) del full de dades, el LED blau és millor per a aquest hack. La caiguda de tensió directa per al LED blau es mesura aproximadament a 2,4 v, que està per sobre del nivell lògic del xip.

Addició del convertidor N-MOS (lògica NO porta)

Un petit MOSFET de canal N SOT-23 s’apila al LED que hem afegit. Cal soldar dos terminals (D, S) al tauler de ruptura i el terminal restant (G) està connectat al pin GPIO de la placa amunt mitjançant el cable # 26.

Notes sobre com afegir components SMD

Soldar components SMD en una placa no dissenyada per a això no és una tasca fàcil. Si encara no heu sentit a parlar de 0805, SMD, SOT-23, és probable que abans no hàgiu soldat aquests petits components. Mentre es manipulen aquests petits components a mà, és molt comú que:

• El petit va caure i va desaparèixer per sempre,
• Els minúsculs coixinets de la cosa petita s’acabaren de desprendre.
• Les minúscules potes del petit acabaven de trencar-se.
• L’estany de soldar s’acaba de reunir en una bombolla i no es podia separar.
• I més…

Si encara voleu fer aquest radar, podeu:

• Canvieu els components a un paquet més gran, com ara l'estil DIP.
• Obteniu més components del mínim requerit per a la pràctica i el consum.

Pas 3: soldar el LED 0805

Soldant el LED SMD 0805

Soldar un LED 0805 a mà, en una placa de sortida no dissenyada per a SMD, no és gens fàcil. Els següents passos són la meva recomanació per soldar el LED.

1. Utilitzeu la mà auxiliar per subjectar el tauler de ruptura.
2. Poseu una mica de pasta de soldar a la vora del condensador SMD i el coixinet "XSHUT".
3. Utilitzeu el soldador per posar soldadura addicional a la vora del condensador.
4. Poseu una mica de pasta de soldadura als dos extrems del LED 0805.
5. Utilitzeu el soldador per posar una mica de llauna als dos extrems del LED 0805.
6. Utilitzeu les pinces per col·locar el LED tal com es mostra a la foto. L’extrem del càtode normalment té una línia marcada. En el meu exemple, hi ha una línia verda a l’extrem del càtode. Col·loqueu l'extrem del càtode a l'extrem del condensador.
7. Utilitzeu les pinces per afegir una pressió lleugera al LED cap al condensador i soldeu el LED a l’extrem del condensador afegint calor a l’extrem del condensador al mateix temps. No premeu amb força el LED. La seva cobertura es pot trencar per calor i pressió excessiva. Després de soldar, afegiu una pressió suau al LED cap als costats, per provar si el LED està soldat al seu lloc.
8. Ara, soldeu el LED al dip pad XSHUT. Aquest pas hauria de ser més fàcil.

Nota: l'extrem del condensador que es mostra a la imatge és el terminal de terra d'aquesta placa de ruptura. I el dipòsit XSHUT és arrossegat per una resistència.

Prova del LED

El LED s’ha d’il·luminar quan s’alimenta (e.x. 5V) i es posa a terra al tauler de ruptura.

Pas 4: Soldar el MOSFET de canal N

Soldar el MOSFET de canal N AO3400

Aquest MOSFET es troba al paquet SOT-23. Hem de "apilar-lo" al LED i afegir un cable també:

1. Poseu una mica de pasta per soldar i esteneu els tres terminals.
2. Utilitzeu pinces per col·locar el MOSFET a sobre del LED 0805. El terminal S ha de tocar la part superior del condensador
3. Soldeu el terminal S amb l’extrem del condensador, tal com es mostra a la foto.
4. Talleu una secció petita de filferro de nucli únic AWG # 30 i traieu el revestiment aproximadament 1 cm.
5. Utilitzeu el soldador per fondre la soldadura al forat XSHUT des de baix i introduïu el cable # 30 des de dalt, tal com es mostra a la foto.
6. Soldar l’extrem superior del cable al terminal MOSFET D.
7. Tallar el cable addicional.

Nota: El terminal MOSFET S està connectat a l’extrem del condensador tal com es mostra a la imatge. Aquest extrem és el terminal de terra. El terminal MOSFET D està connectat al pin XSHUT original.

La terminal G no està connectada en aquest moment. La seva posició és just per sobre d'algunes resistències de tracció. Assegureu-vos que hi hagi un buit entre ells (N-MOS i resistència) i que no entri en contacte.

Pas 5: Cablatge de la matriu del sensor

Cablejat de bus comú

L’autobús comú inclou:

• Potència Vcc. Vermell a la foto. Estic fent servir arduino nano amb lògica de 5V. El tauler de ruptura té LDO i canvi de nivell. Per tant, és segur utilitzar 5v com a Vin.
• Terra. Negre a la foto.
• SDA. De color verd a la foto.
• SCL. Groc a la foto.

Aquestes quatre línies són línies comunes. Tallar la longitud adequada dels cables i soldar-los en paral·lel a tots els mòduls del sensor. Vaig fer servir 20 cm des de l’arduino fins al primer sensor, i 5 cm cadascun després.

Cablatge XSHUTN i GPIO

El cable blanc de 20 cm prové del pin de control arduino fins al pin XSHUTN del primer sensor. Aquesta és la línia de control necessària per treure el primer xip VL53L0X del restabliment i canviar l'adreça I2C.

El cable blanc de 5 cm entre cada mòdul és la línia de control de la cadena de margarida. El xip GPIO, per exemple, el xip amunt (per exemple, el xip núm. 3), està connectat a la cama XSHUTN (per exemple, el xip núm. 4) (terminal MOSFET G de canal N).

Aneu amb compte de no fer que el terminal G entri en contacte amb la resistència inferior. Podeu afegir una cinta aïllant a la bretxa. Aquí es pot utilitzar el revestiment de protecció que normalment es subministra amb el xip VL53L0X.

Feu servir la pistola de calor per enganxar el cable de control.

Cola calenta

Com podeu veure a la foto, hi ha una taca de cola calenta al cable de control blanc, a prop del terminal N-MOS G. Aquest pas és molt important i és absolutament necessari. Una soldadura flotant directament a la cama del component SMD és molt feble. Fins i tot una petita pressió sobre el cable pot trencar la cama. Feu aquest pas suaument.

Prova del LED

Quan apliqueu alimentació (ex. 3.3v-5v) i terra a la matriu de sensors, el LED del primer mòdul hauria de respondre amb el nivell lògic de filferro XSHUTN. Si connecteu el XSHUTN a la lògica alta (per exemple, 3.3v-5v), el LED hauria d’estar apagat. Si connecteu el cable XSHUTN a baix (terra), el LED del primer mòdul hauria d’estar encès.

Per a tots els mòduls posteriors, el LED hauria d’estar apagat.

Aquesta prova es realitza abans de connectar-se a l'arduino.

Pas 6: completar el conjunt de sensors

Prova de cadena de margarides

Ara volem provar si el canvi d’adreça I2C funciona per a tots els sensors de la matriu. Com s’ha esmentat, el primer xip està controlat per l’arduino. El segon xip està controlat pel primer xip, etc.

1. Configureu la taula de pa. El rail de 5V i el terra estan connectats directament des de 5V i terra d’adriano. El consum de corrent per a cada sensor té una classificació de 19ma en el full de dades.
2. Afegiu un condensador al rail d'alimentació per ajudar a estabilitzar el Vin.
3. Connecteu Vin i Ground des del conjunt de sensors al rail d'alimentació.
4. Connecteu SDA a l’arduino Nano pin A4 (pot ser diferent per a altres microcontroladors).
5. Connecteu SCL a l’arduino Nano pin A5 (pot ser diferent per a altres microcontroladors).
6. Connecteu el cable XSHUTN a l’arduino Nano pin D2. (Això es pot canviar a l'esbós).
7. Aneu a github https://github.com/FuzzyNoodle/Fuzzy-Radar i descarregueu la biblioteca.
8. Obriu l'exemple "Daisy_Chain_Testing" i pengeu l'esbós.

Si tot funciona, hauríeu de veure que els LED d'estat s'encenen un per un, de manera similar al clip de vídeo anterior.

També podeu obrir la finestra de sèrie i veure el progrés de la inicialització. La sortida apareixeria així:

Port obert Port obert Esbós inicial. Estableix el xip 0 en mode de restabliment. Tots els LED d'estat haurien d'estar apagats. Ara es configuren els sensors. El LED s’hauria d’encendre un per un. Configuració del xip 0 - Restableix l'adreça I2C a 83 - Inicialitza el sensor. Configuració del xip 1 - Restableix l'adreça I2C a 84 - Inicialitza el sensor. Configuració del xip 2: restableix l'adreça I2C a 85 - Inicialitza el sensor. S'ha completat la configuració del conjunt de radars.

Muntar el suport i el marc

1. Col·loqueu amb cura cada mòdul GY-530 al suport amb el cargol M2x10. No premeu el MOSFET ni estireu els cables XSHUTN.
2. Col·loqueu cada suport al marc circular. Feu servir una mica de cola calenta per unir les peces.

De nou, els cargols M2, els suports i el marc circular s’utilitzen per col·locar els sensors en una disposició circular. Podeu utilitzar qualsevol altre mètode, com ara utilitzar tauletes de cartró, fustes modelades, fang o fins i tot enganxar-les en una llauna.

Els fitxers impresos en 3D que he utilitzat es proporcionen a continuació. El marc circular té 9 mòduls i està separat per 10 graus cadascun. Si teniu un ull nítid, hi havia 10 mòduls a les fotos anteriors. La raó? S'explica a continuació …

Traieu el revestiment protector

Si heu seguit els passos des del principi, ara és un bon moment per eliminar el revestiment protector del xip VL53L0X. A les meves fotos anteriors, ja s’han eliminat perquè he de provar els mòduls i assegurar-me que el concepte funciona abans de publicar aquest instructable.

Quant al revestiment protector, el full de dades indica: "El client l'ha de retirar just abans de muntar el vidre de la tapa". Els dos petits forats (emissor i receptor) del xip VL53L0X són vulnerables a la contaminació, com ara pols, greixos, cola calenta, etc.

Un cop contaminat, es pot reduir l'abast i les lectures poden desactivar-se per una quantitat evident. Un dels meus mòduls de prova està contaminat accidentalment per cola d’argila, el seu abast es redueix a 40 cm i la lectura de la distància s’amplia erròniament en un 50%. Per tant, vés amb compte!

Pas 7: obtenció de dades

Utilitzant l’exemple Raw_Data_Serial_Output

Ara ens agrada molt veure les dades de la nostra matriu de sensors. A la biblioteca arduino de GitHub:

https://github.com/FuzzyNoodle/Fuzzy-Radar

Hi ha un exemple anomenat Raw_Data_Serial_Output. Aquest exemple demostra la sortida de dades brutes de la matriu de sensors. Els valors de sortida són en mil·límetres.

Després d'inicialitzar els sensors, hauríeu de veure alguna cosa semblant a la finestra de sèrie quan passeu la mà pels sensors:

Consulteu el videoclip per a una demostració en directe.

Utilitzant l’exemple de Fuzzy_Radar_Serial_Output

El següent pas és obtenir dades útils d’aquestes lectures a distància. El que volíem d’un RADAR són la distància i l’angle de l’objecte objectiu.

• La distància és en mil·límetres, relacionada amb la superfície del sensor. Retornar 0 significa que l'objectiu està fora de l'abast.
• L’angle està en graus, al pla horitzontal. Actualment, el codi que s’espera que els sensors estiguin espaiats uniformement. Retornar 0 graus significa que l'objectiu està a la posició central de la matriu.

Alguns algorismes de filtratge s'apliquen a la biblioteca:

• Eliminació de soroll:

  • Les lectures breus (en termes de recompte de mostres) es consideren soroll i s’eliminen.
  • S'eliminen les lectures que estan molt lluny del valor mitjà.

• Càlcul de l'angle de pes (vegeu la il·lustració anterior)

  • Es suposa que l'objecte objectiu és una superfície plana
  • Si diversos sensors han detectat l'objecte al mateix temps, es calcula un pes per a cada sensor.
  • El pes de cada sensor està inversament relacionat amb la seva distància.
  • L’àngel resultat es calcula a partir de l’angle ponderat de cada sensor.

• Selecció de l'objectiu principal:

  • Si hi ha més d’un grup de lectures, es mantindrà el grup més ampli (amb més recompte de lectura del sensor).
  • Per exemple, si col·loqueu dues mans davant de la matriu de sensors, la mà detectada per més sensors es mantindrà.

• Selecció de destinació més propera:

  • Si hi ha més d’un grup detectat amb la mateixa amplada, es mantindrà el grup a la distància més propera.
  • Per exemple, si col·loqueu dues mans davant de la matriu de sensors i dos grups detectats tenen el mateix recompte de sensors, el grup més proper al sensor es mantindrà.

La distància de sortida i l’angle es suavitzen mitjançant el filtre de pas baix

A Raw_Data_Serial_Output, les lectures de distància sense format es converteixen en valor de distància i angle. Un cop hàgiu penjat l'esbós, podeu obrir la finestra de sèrie per veure el resultat similar a aquest:

No s’ha detectat cap objecte. No s'ha detectat cap objecte. Distància = 0056 Angle = 017 Distància = 0066 Angle = 014 Distància = 0077 Angle = 011 Distància = 0083 Angle = 010 Distància = 0081 Angle = 004 Distància = 0082 Angle = 000 Distància = 0092 Angle = 002 Distància = 0097 Angle = 001 Distància = 0096 Angle = 001 Distància = 0099 Angle = 000 Distància = 0101 Angle = -002 Distància = 0092 Angle = -004 Distància = 0095 Angle = -007 Distància = 0101 Angle = -008 Distància = 0112 Angle = -014 Distància = 0118 Angle = -017 Distància = 0122 Angle = -019 Distància = 0125 Angle = -019 Distància = 0126 Angle = -020 Distància = 0125 Angle = -022 Distància = 0124 Angle = -024 Distància = 0133 Angle = -027 Distància = 0138 Angle = - 031 Distància = 0140 Angle = -033 Distància = 0136 Angle = -033 Distància = 0125 Angle = -037 Distància = 0120 Angle = -038 Distància = 0141 Angle = -039 No s'ha detectat cap objecte. No s'ha detectat cap objecte. No s'ha detectat cap objecte.

Ara teniu un RADAR (LIDAR):

• Més petit que els mòduls de sensor ultrasònic
• Sense parts mòbils
• Escaneja a 40 Hz.
• Amb forma de cinturó, es pot muntar sobre un marc circular
• Utilitzeu només tres cables de control, més alimentació i terra.
• Té un abast des dels 30 mil·límetres fins als 1.000 mil·límetres.

En els passos següents, us mostrarem algunes demostracions interessants.

Pas 8: traçador làser (demostració)

Aquest és un exemple d’utilitzar el radar estacionari que hem construït a partir dels passos anteriors. Aquest pas no està escrit amb detall, ja que es tracta d’un demostrador del radar. En general, necessiteu aquests elements addicionals per construir aquest projecte de demostració:

• Dos servos
• Un cap emissor de ploma làser
• Un transistor MOSFET o NPN per controlar la sortida del cap làser
• Una font d'alimentació per als servos. S'ha de separar del microcontrolador.

El codi es pot descarregar aquí.

Consulteu el vídeo proporcionat.

Pas 9: Mirar Poopeyes (demostració)

Demostració de l’ús del radar per fer un seguiment de la ubicació i la distància de l’objecte.