Naredi sam zidnega robota: 9 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

V tem navodilu bomo razložili, kako oblikovati sistem za odkrivanje in izogibanje oviram z uporabo GreenPAK ™ skupaj z nekaj zunanjimi ultrazvočnimi in infrardečimi (IR) senzorji. Ta zasnova bo predstavila nekatere teme, ki so potrebne za avtonomne in umetno inteligentne robotske sisteme.

Spodaj smo opisali korake, potrebne za razumevanje, kako je bila rešitev programirana za ustvarjanje stene po robotu. Če pa želite samo doseči rezultat programiranja, prenesite programsko opremo GreenPAK, če si želite ogledati že dokončano oblikovalsko datoteko GreenPAK. Priključite razvojni komplet GreenPAK na računalnik in pritisnite program, da ustvarite steno po robotu.

1. korak: Izjava o težavi

V zadnjem času se je ponovno pojavilo zanimanje za umetno inteligenco, velik del tega zanimanja pa je usmerjen v popolnoma avtonomne in inteligentne stroje. Takšni roboti lahko zmanjšajo človeško odgovornost in razširijo avtomatizacijo na področja, kot so javne službe in obramba. Raziskovalci AI poskušajo avtonomizirati storitve, kot so gašenje požarov, zdravstvena oskrba, obvladovanje nesreč in reševanje življenj z avtonomnimi robotskimi vozili. Eden od izzivov, ki jih morajo ta vozila premagati, je, kako uspešno odkriti in se izogniti oviram, kot so ruševine, požar, pasti itd.

2. korak: Podrobnosti o izvajanju

V tem navodilu bomo uporabljali ultrazvočni senzor, par senzorjev za zaznavanje IR ovir, vezje gonilnika motorja (L298N), štiri enosmerne motorje, kolesa, okostje avtomobila s štirikolesnim pogonom in čip GreenPAK SLG46620V.

Digitalni izhodni pin krmilnika GreenPAK se uporablja za sprožitev ultrazvočnega senzorja (sonarja), digitalni vhodni pin pa za zbiranje nastalega odmeva od ovir pred nami za analizo. Opazen je tudi izhod IR senzorja za zaznavanje ovir. Po uporabi določenih pogojev, če je ovira preblizu, se motorji (povezani z vsakim od štirih koles) prilagodijo, da se prepreči trčenje.

3. korak: Pojasnilo

Robot za avtonomno izogibanje oviram mora biti sposoben zaznati ovire in se izogniti trkom. Zasnova takega robota zahteva integracijo različnih senzorjev, kot so senzorji udarcev, infrardeči senzorji, ultrazvočni senzorji itd. Z namestitvijo teh senzorjev na robota lahko dobi informacije o okolici. Ultrazvočni senzor je primeren za odkrivanje ovir pri počasi premikajočem se avtonomnem robotu, saj ima nizke stroške in relativno visok doseg.

Ultrazvočni senzor zazna predmete tako, da odda kratek ultrazvočni rafal in nato posluša odmev. Pod nadzorom gostiteljskega mikrokrmilnika senzor oddaja kratek impulz 40 kHz. Ta impulz potuje po zraku, dokler ne zadene predmeta, nato pa se odbije nazaj do senzorja. Senzor gostitelju odda izhodni signal, ki se konča, ko zazna odmev. Na ta način se za izračun razdalje do predmeta uporabi širina vrnjenega impulza.

To robotsko vozilo za preprečevanje ovir uporablja ultrazvočni senzor za zaznavanje predmetov na svoji poti. Motorji so prek IC gonilnika motorja povezani z GreenPAK -om. Ultrazvočni senzor je pritrjen na sprednji strani robota, dva senzorja za zaznavanje ovir IR pa sta pritrjena na levi in desni strani robota za zaznavanje stranskih ovir.

Ko se robot premika po želeni poti, ultrazvočni senzor neprestano prenaša ultrazvočne valove. Kadar koli je ovira pred robotom, se ultrazvočni valovi odbijejo od ovire in ti podatki se posredujejo GreenPAK -u. Hkrati IR senzorji oddajajo in sprejemajo IR valove. Po interpretaciji vhodov ultrazvočnih in IR senzorjev GreenPAK krmili motorje za vsako od štirih koles.

4. korak: Opis algoritma

Ob zagonu se štirje motorji vklopijo hkrati, zaradi česar se robot premakne naprej. Nato ultrazvočni senzor v rednih časovnih presledkih pošilja impulze s sprednje strani robota. Če je ovira, se zvočni impulzi odbijejo in zaznajo s senzorjem. Odboj impulzov je odvisen od fizičnega stanja ovire: če je nepravilne oblike, bo odbojev manj; če je enotna, se bo večina oddanih impulzov odbila. Odsev je odvisen tudi od smeri ovire. Če je rahlo nagnjen ali postavljen vzporedno s senzorjem, bo večina zvočnih valov minila brez odboja.

Ko pred robotom zaznamo oviro, opazimo stranske izhode IR senzorjev. Če na desni strani opazimo oviro, se robotske pnevmatike na levi strani onemogočijo, zaradi česar se obrne proti levi in obratno. Če ovira ni zaznana, se algoritem ponovi. Diagram poteka je prikazan na sliki 2.

5. korak: Ultrazvočni senzor HC-SR04

Ultrazvočni senzor je naprava, ki lahko z zvočnimi valovi meri razdaljo do predmeta. Meri razdaljo tako, da pošlje zvočni val na določeni frekvenci in posluša, da se zvočni val odbije nazaj. S snemanjem pretečenega časa med ustvarjenim zvočnim valom in odbijanjem zvočnega vala je mogoče izračunati razdaljo med senzorjem sonarja in objektom. Zvok potuje po zraku s hitrostjo približno 344 m/s (1129 ft/s), zato lahko izračunate razdaljo do predmeta s formulo 1.

Ultrazvočni senzor HC-SR04 je sestavljen iz štirih zatičev: Vdd, GND, Trigger in Echo. Vsakič, ko se impulz iz krmilnika uporabi na sprožilnem zatiču, senzor oddaja ultrazvočni val iz »zvočnika«. Odbijanje valov zazna "sprejemnik" in se prek krmilnika Echo prenese nazaj v krmilnik. Čim daljša je razdalja med senzorjem in oviro, daljši bo impulz na odmevu. Impulz ostane vklopljen toliko časa, kolikor traja impulz sonarja, da potuje od senzorja in se vrne nazaj, deljen z dvema. Ko se sonar sproži, se zažene notranji časovnik in se nadaljuje, dokler ne zazna odsevnega vala. Ta čas se nato deli z dvema, ker je dejanski čas, ko je zvočni val dosegel oviro, polovica časa, ko je bil vklopljen časovnik.

Delovanje ultrazvočnega senzorja je prikazano na sliki 4.

Za generiranje ultrazvočnega impulza morate sprožilec nastaviti na VISOKO stanje za 10μs. To bo poslalo 8-ciklični zvočni izbruh, ki bo odseval vse ovire pred napravo in jih senzor sprejel. Echo pin bo prikazal čas (v mikrosekundah), ki ga je potoval zvočni val.

Korak 6: Modul senzorja za zaznavanje infrardečih ovir

Tako kot ultrazvočni senzor je osnovni koncept infrardečega (IR) zaznavanja ovir prenos IR signala (v obliki sevanja) in opazovanje njegovega odboja. Modul IR senzorja je prikazan na sliki 6.

Lastnosti

• Lučka za ovire je na vezju
• Digitalni izhodni signal
• Razdalja zaznavanja: 2 ~ 30 cm
• Kot zaznavanja: 35 °
• Primerjalni čip: LM393
• Nastavljiv razpon razdalje zaznavanja s potenciometrom:

○ V smeri urinega kazalca: Povečajte razdaljo zaznavanja

○ V nasprotni smeri urinega kazalca: Zmanjšajte razdaljo zaznavanja

Specifikacije

• Delovna napetost: 3 - 5 V DC
• Vrsta izhoda: Digitalni preklopni izhod (0 in 1)
• 3 mm luknje za vijake za enostavno montažo
• Velikost deske: 3,2 x 1,4 cm

Opis kontrolne lučke, opisan v tabeli 1.

Korak: Vezje gonilnika motorja L298N

Pogonsko vezje motorja ali H-Bridge se uporablja za nadzor hitrosti in smeri enosmernih motorjev. Ima dva vhoda, ki ju je treba priključiti na ločen vir enosmerne energije (motorji črpajo močan tok in se ne morejo napajati neposredno iz krmilnika), dva niza izhodov za vsak motor (pozitiven in negativen), dva omogočena zatiča za vsak niz izhodov in dva niza zatičev za krmiljenje smeri vsake vtičnice motorja (dva zatiča za vsak motor). Če imata dva skrajna leva zatiča logični ravni HIGH za en pin in LOW za drugega, se bo motor, priključen na levo vtičnico, vrtel v eno smer, če pa se zaporedje logike obrne (LOW in HIGH), se bodo motorji vrteli v nasprotni smeri. Enako velja za skrajne desne zatiče in desni izhodni motor. Če imata oba zatiča v paru logični ravni VISOKO ali NIZKO, se motorji ustavijo.

Ta dvosmerni gonilnik motorja temelji na zelo priljubljenem IC-ju gonilnika motorja z dvojnim mostom L298. Ta modul vam omogoča enostavno in neodvisno krmiljenje dveh motorjev v obeh smereh. Za krmiljenje uporablja standardne logične signale in lahko poganja dvofazne koračne motorje, štirifazne koračne motorje in dvofazne enosmerne motorje. Ima filtrirni kondenzator in prosto vrtljivo diodo, ki ščiti naprave v tokokrogu pred poškodbami zaradi povratnega toka induktivne obremenitve, kar povečuje zanesljivost. L298 ima napetost gonilnika 5-35 V in logično raven 5 V.

Funkcija gonilnika motorja je opisana v tabeli 2.

Blok diagram, ki prikazuje povezave med ultrazvočnim senzorjem, gonilnikom motorja in čipom GPAK, je prikazan na sliki 8.

8. korak: Oblikovanje GreenPAK

V Matrici 0 je bil sprožilni vhod za senzor ustvarjen z uporabo CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 in oscilatorja. Vhod iz Echo zatiča ultrazvočnega senzorja se odčita s pomočjo Pin3. Pri 3-bitnem LUT0 so uporabljeni trije vhodi: eden iz odjeka, drugi iz sprožilca in tretji, ki je vhod sprožilca, zakasnjen za 30 us. Izhod iz te iskalne tabele se uporablja v matriki 1. Izhod iz IR senzorjev je vnesen tudi v matriko 0.

V Matriki 1 sta vrata P1 in P6 OR skupaj in povezana s Pin17, ki je priključen na Pin1 gonilnika motorja. Pin18 je vedno logično NIZK in je povezan z Pin2 gonilnika motorja. Podobno sta vrata P2 in P7 ALI skupaj in povezana z GreenPAK -ovim Pin20, ki je priključen na P3 vezja gonilnika motorja. Pin19 je priključen na Pin4 gonilnika motorja in je vedno na logični NIZKI.

Ko je pin Echo VISOK, to pomeni, da je pred robotom predmet. Robot nato od IR senzorjev preveri levo in desno oviro. Če je ovira prisotna tudi na desni strani robota, potem zavije levo, če je ovira na levi strani, pa zavije desno. Na ta način se robot izogiba oviram in se premika brez trčenja.

Zaključek

V tem navodilu smo ustvarili preprosto avtomatsko vozilo za odkrivanje in izogibanje oviram z uporabo GreenPAK SLG46620V kot glavnega krmilnega elementa. Z nekaj dodatnega vezja bi lahko to zasnovo izboljšali za opravljanje drugih nalog, kot so iskanje poti do določene točke, algoritem za reševanje labirinta, algoritem po liniji itd.

9. korak: Slike strojne opreme