Robot d'evitació d'ultrasons amb Arduino: 7 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

En aquest tutorial, us mostraré com fer el vostre propi robot per evitar obstacles. Utilitzarem la placa Arduino UNO i un sensor d’ultrasons. Si el robot detecta un objecte al davant, amb l'ajut d'un petit servomotor, escaneja l'àrea dreta i esquerra per trobar la millor manera de girar. També té un LED de notificació, un brunzidor per reproduir un to quan es detecta un objecte i un botó per canviar la funció del robot (aturat / avançant).

És molt fàcil de fer-ho!

Pas 1: coses que cal fer

Per a aquest projecte necessitareu:

1. Arduino UNO (compreu-lo a gearbest.com)
2. Mini tauler (comprar-lo a gearbest.com)
3. Mòdul de controlador de motor L298 (compreu-lo a gearbest.com)
4. 2 motors de corrent continu amb rodes sensor d'ultrasons HC-SR04 (compreu-lo a gearbest.com)
5. Servomotor micro (compreu-lo a gearbest.com)
6. Botó LED vermell resistència de 220 Ohm suport de bateria de 9 V (amb o sense presa de corrent)
7. 8 separadors (home-dona),
8. 8 femelles i 8 cargols també us caldrà un de gran (metall)

clip de paper i un cordó per fer la roda de suport posterior.

Per a la base del robot, he utilitzat un Chasis acríl·lic de Aliexpress. També podeu utilitzar una peça de fusta o metall (o dues plaques elèctriques).

El cost de tot el projecte és d’uns 20 $

Eines: Màquina de trepant de cola super tripulant cola pistola calenta (opcional) Potència:

Utilitzarem una bateria de 9V per encendre el nostre robot perquè és petit i barat, però no és molt potent i estarà buit al cap d’una hora aproximadament. Tingueu en compte si voleu utilitzar un paquet de bateria recarregable (mín. 6 V, màxim 7 V) que serà més potent, però també serà més car i més gran que la bateria de 9 V. Subscriviu-vos al nostre canal de YouTube Feu clic aquí

Pas 2: entendre els conceptes

L’objectiu és fer que el robot sigui conscient dels obstacles que té al davant, perquè pugui canviar de direcció i evitar-los. A l’article anterior vam fer moure el robot; ara li donarem certa autonomia.

Sensor d'ultrasons

HC-SR04 és un circuit capaç de mesurar una distància a objectes de fins a 4 metres mitjançant ones ultrasòniques. Envia un ping (com un submarí) i mesura el temps (en microsegons) entre l’enviament i la recepció de qualsevol cosa. Aquest temps es divideix per 2 a mesura que l’ona viatja d’anada i tornada. I després dividiu per 29 per obtenir una distància en centímetres (o 74 per polzades), perquè el so viatja 29,4 µs per centímetre (340 m / s). El sensor és molt precís amb una tolerància de ~ 3 mm i és fàcil d’integrar amb Arduino.

Interfície del sensor ultrasònic amb microcontrolador AVR

Qualsevol robot autònom hauria de tenir un obstacle que eviti i un sensor de mesura de distància connectat. Un parell de transceptors IR o un sensor d’escala de grisos poden funcionar fàcilment per a la detecció d’obstacles entre 1 i 10 cm. Els telemetres IR (per exemple, els de tall agut) poden mesurar una distància fins a l'obstacle més proper amb un abast de fins a 100 cm. No obstant això, els sensors IR es veuen afectats per la llum solar i altres fonts de llum. Els telèmetres IR tenen menys autonomia i també són cars pel que fa. Els sensors d’ultrasons (també coneguts com a sondes de proximitat per ultrasons o sonar per als frikis) fan aquestes dues tasques a un cost raonable i una precisió excepcional. L'interval és d'entre 3 i 350 cm amb una precisió de ~ 3 mm. Si lligueu un d'aquests sensors d'ultrasons al nostre robot, pot actuar tant com a obstacle com a sensor de mesura de distància.

El so "ultrasònic" fa referència a qualsevol cosa per sobre de les freqüències del so audible i inclou nominalment qualsevol cosa superior a 20 000 Hz o 20 kHz. Els sensors ultrasònics econòmics que s’utilitzen per a la robòtica solen funcionar entre 40 kHz i 250 kHz, mentre que els que s’utilitzen en equips mèdics pugen fins a 10 MHz.

Pas 3: Eines necessàries

1. Multímetre
2. Taula de pa
3. Alicates d'agulla
4. Decapant de filferro
5. Tallador de filferro
6. Pistola de cola

Un multímetre és en realitat un dispositiu senzill que s'utilitza principalment per mesurar la tensió i la resistència i determinar si un circuit està tancat. De manera similar a la depuració de codi d’ordinador, el multímetre us ajuda a “depurar” els vostres circuits electrònics.

Materials de construcció

És molt útil un subministrament fàcilment disponible de fusta fina i / o plexiglàs per fer el marc mecànic. Metalls com l’alumini i l’acer sovint es restringeixen als que tenen accés a un taller de màquines, tot i que l’alumini prim es pot tallar amb cisalles i doblegar-lo a mà. Fins i tot es poden construir bastidors mecànics a partir d’elements per a la llar com contenidors de plàstic.

Tot i que són possibles altres materials com els plàstics (a part del plexiglàs) o materials més exòtics com la fibra de vidre i la fibra de carboni, no es consideraran en aquesta guia. Diversos fabricants han assenyalat que no és fàcil per a la majoria dels aficionats produir les seves pròpies peces mecàniques i han creat peces mecàniques modulars. Un líder en això és Lynxmotion, que ofereix una àmplia gamma de dissenys robòtics, així com les peces necessàries per fabricar els vostres propis robots personalitzats.

Eines de mà

Es necessiten tornavisos i alicates de diversos tipus i mides (inclòs el conjunt d’eines de joieria: petits tornavisos disponibles normalment a les botigues de dòlars). Una broca (preferiblement una broca per a forats rectes) també és important. Una serra de mà per tallar materials de construcció (o un encaminador) també és un actiu important. Si el pressupost ho permet, una petita serra de cinta de sobretaula (200 $) és definitivament una eina a tenir en compte.

Taula de pa sense soldadura

Una placa de soldadura sense soldadura us permet optimitzar el disseny i connectar components amb facilitat. Juntament amb una placa de soldadura sense soldadura, heu de comprar un kit de filferro de pont preformat que consisteix en cables pre-tallats i doblegats destinats a ser utilitzats amb una taula de pa sense soldadura. Això fa que les connexions siguin molt fàcils.

Joc de tornavisos petit

Aquests tornavisos petits són necessaris quan es treballa amb electrònica. No els forceu massa: la seva mida els fa més fràgils.

Joc de tornavisos regular

Tots els tallers necessiten un conjunt d'eines o eines que inclogui capçals de tornavís plans / Phillips i altres.

Alicates d'agulla

El conjunt d’alicates d’agulla és increïblement útil quan es treballa amb components i peces petites i és un complement molt econòmic per a la vostra caixa d’eines. Són diferents de les alicates normals perquè arriben a un punt que pot arribar a zones petites.

Decapadors / talladors de filferro

Teniu previst tallar qualsevol cable, ja que un separador de cables us estalviarà molt de temps i esforç. Si s’utilitza correctament, un separador de filferro només eliminarà l’aïllament del cable i no produirà cap enrotllament ni danyarà els conductors. L’altra alternativa a un separador de filferro és una tisora, tot i que el resultat final pot ser desordenat. Tisores, regle, bolígraf, llapis retolador, ganivet Exacto (o una altra eina de tall de mà) Són elements bàsics en qualsevol oficina.

Pas 4: Cocepts per a codificar AVR

Càlcul de la velocitat del so en relació amb els sensors d'ultrasons

Poca matemàtica, però no us espanteu. És més senzill del que es pensa.

La velocitat del so a l'aire sec a temperatura ambient (~ 20 ° C) = 343 metres / segon

Perquè l’ona sonora toqui i faci un viatge d’anada i tornada a l’objecte proper és = 343/2 = 171,5 m / atès que l’abast màxim d’un sensor d’ultrasons barat no supera els 5 metres (anada i tornada), tindria més sentit canvieu les unitats a centímetres i microsegons.

1 metre = 100 centímetres 1 segon = 10 ^ 6 microsegons = (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 (arrodonint a dos dígits per facilitar els càlculs)Per tant, el temps que es triga a que un pols viatgi a un objecte i reboti 1 centímetre és de 58,31 microsegons.

el petit fons dels cicles de rellotge AVR

Es necessita un capítol completament diferent per entendre els cicles del rellotge AVR, però entendreem breument com funciona per facilitar els nostres càlculs

Per al nostre exemple, utilitzarem la placa AVR Draco que té un microcontrolador AVR - Atmega328P de 8 bits. Per simplificar les coses, no ajustarem la configuració d’un microcontrolador. No es toquen trossos de fusibles; No hi ha cap cristall extern unit; Sense mal de cap. A la configuració de fàbrica, funciona amb un oscil·lador intern de 8 MHz amb un precalificador / 8; Si no enteneu tot això, simplement vol dir que el microcontrolador funciona amb un oscil·lador RC intern a 1 MHz i que cada cicle de rellotge dura 1 microsegon.

1 2 1MHz = de 1000000 cicles per segon Per tant, 1s / 1000000 = 1/1000000 = 1us

Rellotges AVR i conversió de distància

Quasi hi som! Un cop sabem com convertir els cicles de rellotge AVR a la distància recorreguda per les ones de so, implementar la lògica en un programa és fàcil.

Sabem que la velocitat del so ultrasònic en un entorn ideal és: 58,31 us / cm

Sabem que la resolució del microcontrolador AVR és de 1us / clock cycle (CLK)

Per tant, la distància recorreguda pel so per cicle de rellotge (CLK) és:

1 2 3 = (58,31 us / cm) x (1us / clk) = 58,31 cicles de rellotge / cm o = 1 / 58,31 cm / clk

Si es coneix el nombre de cicles de rellotge necessaris perquè el so viatgi i es reboti, podem calcular fàcilment la distància. Per exemple, si el sensor triga 1000 cicles de rellotge a recórrer-se i a rebotar, la distància d'un sensor a l'objecte més proper és = 1000 / 58,31 = 17,15 cm (aprox.)

Ara té tot sentit? No? Torneu a llegir-lo

Si teniu clar tota la lògica esmentada anteriorment, l’implementarem en un escenari del món real connectant un sensor d’ultrasons HC-SR04 de baix cost a la nostra placa AVR Arduino.

Pas 5: connexions de maquinari:

Arduino Board facilita la connexió de qualsevol sensor extern i també visualitza els resultats a la pantalla LCD. Per a la detecció de gamma per ultrasons, fem servir un mòdul HC-SR04 de baix cost. El mòdul té 4 pins que es poden connectar a la placa de microcontroladors: VCC, TRIG, ECHO i GND.

Connecteu el pin VCC a 5V i el pin GND a terra a la placa Arduino.

El pin TRIG i el pin ECHO es poden connectar a qualsevol pin disponible al tauler. L’enviament d’un senyal mínim de 10 us per activar el pin envia vuit ones de so de 40 kHz i fa pujar el pin de ressò. Si el so rebota sobre un objecte proper i torna, es capta rebent el transductor i el pin de ressò s’estira ‘baix’.

Altres variants de mòduls de sensor ultrasònic també estan disponibles amb només 3 pins. El principi de funcionament segueix sent el mateix, però la funcionalitat dels disparadors i els pins d'eco es combinen en un sol pin.

Un cop connectats, Trigger i Echo Pins es poden configurar mitjançant programari. Per simplificar aquest exemple, no utilitzarem cap pin d'interrupció (ni Pin de captura d'entrada) en aquest exemple. El fet de no utilitzar pins d’interrupció designats també ens permet connectar el mòdul a qualsevol pin disponible de la placa.

Pas 6: Codi

Codi El codi següent només conté una extensió "ultrasònica" per al control del motor de CC mitjançant un pont H de l'article anterior. Quan el robot detecta un obstacle al seu davant, gira (grau aleatori) i continua avançant. Aquesta funcionalitat es podria ampliar fàcilment per continuar girant i detectant obstacles al mateix temps, de manera que el robot no giraria a l'atzar, sinó que començaria a avançar només quan no es detectés cap objecte.

Per obtenir una explicació del codi, consulteu el vídeo de YouTube que apareix al canal.

Pas 7: vídeo

Mireu el vídeo per a tot el procés.