Niz stacionarnih radarjev (LIDAR) z Arduinom: 10 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Ko sem gradil dvonožnega robota, sem vedno razmišljal o tem, da bi imel kakšen kul pripomoček, ki bi lahko izsledil nasprotnika in z njim naredil napadne poteze. Nekaj radarskih/lidar projektov že obstaja. Za moj namen pa obstajajo nekatere omejitve:

• Moduli ultrazvočnih valov so precej veliki. Vsak robot bi izgledal kot WALL-E.
• Trenutni radarski projekti vsebujejo senzor (ultrazvočne valove, IR, laser,…) in servo motor v sredini. Skeniranje okolja zahteva, da se servo pomika od strani do strani. Premikanje stvari naprej in nazaj ustvarja spremembe zagona, kar je slabo za uravnoteženje in hojo.
• Frekvenca skeniranja je omejena s hitrostjo servomotorja. Verjetno je mogoče doseči le nekaj hercev. Tudi če lahko frekvenco skeniranja povečate s kakšnim super-servom, bi to povzročilo močne vibracije.
• Razporeditev [osrednji servo motor - senzor] omejuje tudi položaj za montažo in zasnovo. Težko je namestiti kaj drugega kot glavo. Zaradi česar je moja dvonožna vsakič videti kot tresljajoča se WALL-E. Ni v redu!
• Razporeditev [servo-senzorja] je lahko zgrajena tudi v slogu [senzor motorja]. Senzor (ali tipala) se neprestano vrti vzdolž osi motorja. To lahko odpravi sunkovite sunke in težave z nizko frekvenco skeniranja, ne pa tudi omejitve oblikovanja trupa. Tudi težave pri ožičenju bi se znatno povečale.

Po iskanju mi je ta majhen senzor VL53L0X iz ST pljusnil v oči. Z uveljavljanjem "najmanjšega na svetu" merilnika časa letenja je dimenzija le 4,4 x 2,4 x 1,0 mm. Predstavljamo

• Na čipu IR laserski oddajnik in detektor
• Domet do 2 m (1,2 m v hitrem načinu)
• Programabilni naslov I2C
• Izhodni pin za prekinitev GPIO
• Varno za oči

Vse te posebne funkcije so mi omogočile premagovanje zgornjih težav, če bi lahko delovala vrsta senzorjev VL53L0X. Sprva sem mislil, da se bo ta radar imenoval polprevodniški radar, vendar sem ugotovil, da se ta izraz uporablja za kaj drugega. Zato beseda "Stacionarno" v naslovu pomeni, da v tem radarskem pripomočku ni gibljivih delov. Medtem ko je LIDAR (zaznavanje svetlobe in merjenje razdalje) tehnično pravilen izraz za ta čip, se RADAR tukaj imenuje bolj splošen izraz.

Razlog, zakaj sta programabilni naslov I2C in izhodni pin GPIO ključnega pomena za ta projekt, je pojasnjen kasneje.

Korak: Orodja in deli

Orodja

V tem projektu so potrebna naslednja orodja:

• Spajkalnik
• Spajkanje v roke
• Orodje za stiskanje Dupont
• 1,5 mm šesterokotni gonilnik
• Orodje za odstranjevanje žičnih premazov
• Rezalnik žice
• Pištola za vroče lepilo
• Pinceta
• Lupa (fizična ali aplikacije v telefonu)
• Klešče s ploskim nosom

Deli

V tem projektu so uporabljeni naslednji deli:

• 10x prelomne plošče VL53L0X GY-530
• Arduino (Uno, Nano, Mega, Zero, Mini itd.)
• Ohišje in nekaj žic
• AWG #26 žice v različnih barvah
• AWG #30 enožilna žica
• 5x moški konektorji Dupont
• 5x enojni ohišja Dupont
• 10x držala za deske za 3D tiskanje
• 1x 3D tiskan krožni okvir
• 10x vijaki z ravno glavo M2x10
• 10x 0804 LED (modra ponovno priporočena)
• 10-kratni SOT-23 AO3400 N-kanalni MOSFET
• Majhen kondenzator (10 ~ 100uF)

Prelomna deska

Prelomna plošča VL53L0X, ki sem jo uporabil, je GY-530. Na voljo sta tudi različica Adafruit in Pololu. Če je izvedljivo, priporočam uporabo Adafruit ali Pololujevega izdelka, ker ustvarjajo odlične izdelke, odlične vaje in odlične knjižnice programske opreme. Preizkusil sem v Adafruitovi knjižnici VL53L0X in uporabil spremenjeno različico knjižnice Pololu VL53L0X.

Priključki Dupont

Priključki dupont se uporabljajo za ploščo. Uporabite lahko katero koli drugo vrsto povezave, ki jo imate pri roki.

Vijaki in 3D tiskani deli

Vijaki, držala in krožni okvir M2 se uporabljajo za namestitev senzorjev v krožno razporeditev. Uporabite lahko katero koli drugo metodo, na primer uporabo kartonskih plošč, modelnega lesa, gline ali celo vroče lepilo na pločevinko.

2. korak: Vdor v Breadout Board

Stožec zaznavanja

Za risanje stožca zaznavanja sem uporabil en sam modul. Uporaba večinoma 3D tiskanega robota kot tarče. Razdalja je prikazana na LED prikazovalniku in približno merjena. Izmerjeni podatki se zabeležijo v datoteko Microsoft Excel in uporabijo funkcijo prilagajanja krivulje. Najprimernejša je krivulja naravnega logaritma z učinkovito razdaljo od 3 cm do približno 100 cm.

Pri 60 cm je krivulja zaznavanja za en senzor približno 22 cm. Pri 20 cm široki tarči bi moralo krožno ločevanje od 10 do 15 stopinj za radarsko polje doseči sprejemljivo ločljivost skeniranja.

Naslov I2C

Naslov naprave VL53L0X I2C je mogoče programirati, vendar je potreben popoln nadzor pin XSHUT z mikrokrmilnikom. Zaporedje za to je naslednje:

1. Napajanje se priključi na AVDD.
2. Vsi čipi VL53L0X se pripeljejo v stanje pripravljenosti (ponastavitev) Hw tako, da VSE njihove zatiče XSHUT spustijo na LOW.
3. Vsak čip se vzame iz stanja ponastavitve enega za drugim. Privzeti naslov I2C po zagonu je 0x52.
4. Naslov čipa se z ukazom I2C spremeni v nov naslov. Na primer, 0x52 se je spremenilo v 0x53.
5. Ponovite koraka 3 in 4 za vse žetone.

Teoretično je mogoče v istem vodilu voziti največ 126 enot za 7-bitno naslovno območje. V praksi pa lahko omejitev kapacitivnosti vodila in potopnega toka mikrokrmilnika omeji/mora omejiti največje število naprav.

Novi naslov I2C ni shranjen v čipu VL53L0X zaradi izklopa ali ponastavitve. Zato je treba ta postopek narediti ob vsakem vklopu. To pomeni, da je za vsako enoto v nizu radarjev potreben en dragocen pin. To je preveč neprijazno do ožičenja in porabe pin, za radarski pas z 10+ ali 20+ enotami.

Kot smo omenili v koraku 1, je sreča, da lahko na čipu VL53L0X deluje pin GPIO1, ki je bil prvotno uporabljen za prekinitev.

Veriga marjetica GPIO-XSHUTN

Izhod GPIO je ob zagonu v stanju visoke impedance, medtem ko je med delovanjem odprt na nizki ravni. Zatiči GPIO in XSHUT so potegnjeni visoko do AVDD na odklopni plošči GY-530, kot je priporočeno v podatkovnem listu. Za zanesljivo postavitev vseh čipov VL53L0X v stanje pripravljenosti Hw (nizka stopnja XSHUT) potrebujemo logična vrata NE (pretvornik) za vsak pin XSHUT. Nato priključimo izhod GPIO enega čipa (N-ti čip) na XSHUTN (XSHUT-NOT) spodnjega toka čipa (čip N+1).

Ob vklopu se vsi zatiči GPIO (neaktivni) potegnejo navzgor, vsi naslednji zatiči XSHUT se spustijo skozi vrata NOT (razen samega pestnega čipa, kjer je njegov pin XSHUTN povezan z mikrokrmilnikom). Sprememba naslova I2C in sprostitev XSHUT nižjega čipa poteka v programski opremi, enega za drugim.

Če uporabljate različne odklopne plošče, se morate prepričati, ali so vlečni upori nameščeni ali ne, in ustrezno prilagoditi.

Dodajanje LED

V naslednjem koraku bo na izklopno ploščo dodana majhna 0805 SMD LED, povezana s ploščice XSHUT na priključek GND sosednjega kondenzatorja. Čeprav LED sama po sebi ne vpliva na delovanje modula, nam daje dobro vizualno predstavo na logični ravni XSHUT.

Če zaporedno priključite LED z vlečnim uporom (v mojem primeru 10k) na pin XSHUT, bo prišlo do padca napetosti. Namesto visokega logičnega nivoja 3,3 V se padec napetosti naprej za rdečo LED 0805 meri 1,6 V. Čeprav je ta napetost višja od visoke logične ravni (1,12 V) v podatkovnem listu, je modra LED boljša za ta kramp. Sprednji padec napetosti za modro LED se meri približno 2,4 V, kar je varno nad logično ravnjo čipa.

Dodajanje pretvornika N-MOS (Logic NOT Gate)

Na LED, ki smo ga dodali, je zložen majhen SOT-23 N-kanalni MOSFET. Dva priključka (D, S) je treba spajkati na odklopni plošči, preostali priključek (G) pa je z žico #26 priključen na pin GPIO vhodne plošče.

Opombe o dodajanju komponent SMD

Spajkanje komponent SMD na odklopni plošči, ki ni namenjena, ni lahka naloga. Če še niste slišali za 0805, SMD, SOT-23, obstaja velika verjetnost, da prej niste spajkali teh drobnih komponent. Med ročnim ravnanjem s temi drobnimi sestavinami je zelo pogosto:

• Malenkost je kar padla in za vedno izginila,
• Majhne blazinice na malenkosti so se pravkar odlepile.
• Drobne nogice na malenkosti so se pravkar zlomile.
• Spajkalna pločevina se je samo zbrala v madež in je ni bilo mogoče ločiti.
• In več…

Če še vedno želite narediti ta radar, lahko:

• Spremenite komponente v večji paket, na primer slog DIP.
• Za prakso in porabo dobite več komponent, kot je potrebno.

3. korak: Spajkanje LED 0805

Spajkanje 0805 SMD LED

Ročno spajkanje LED 0805 na odklopno ploščo, ki ni namenjena SMD, sploh ni lahka naloga. Naslednji koraki so moje priporočilo za spajkanje LED.

1. Z roko pomočnika držite svojo desko.
2. Na rob SMD kondenzatorja in blazinice "XSHUT" položite nekaj spajkalne paste.
3. S spajkalnikom postavite nekaj dodatnega spajka na rob kondenzatorja.
4. Na oba konca LED 0805 nanesite nekaj spajkalne paste.
5. S spajkalnikom postavite kositer na oba konca LED 0805.
6. S pinceto postavite LED, kot je prikazano na fotografiji. Na katodnem koncu je običajno označena črta. V mojem primeru je na koncu katode zelena črta. Kraj katode postavite na konec kondenzatorja.
7. S pinceto rahlo pritisnite LED na kondenzator in LED -diodo spajkajte na konec kondenzatorja tako, da hkrati dodate toploto na konec kondenzatorja. Ne pritiskajte močno na LED. Pokrov se lahko zlomi pod vročino in prevelikim pritiskom. Po spajkanju rahlo pritisnite LED na stran, da preverite, ali je LED spajkana.
8. Zdaj spajkajte LED na potopno blazinico XSHUT. Ta korak bi moral biti lažji.

Opomba: Kondenzatorski konec, prikazan na sliki, je ozemljitveni priključek na tej odklopni plošči. Potopno blazinico XSHUT potegne navzgor upor.

Testiranje LED

LED dioda naj zasveti, ko priključite napajanje (npr. 5 V) in ozemljite odklopno ploščo.

4. korak: Spajkanje N-kanalnega MOSFET-a

Spajkanje N-kanalnega MOSFET-a AO3400

Ta MOSFET je v paketu SOT-23. To moramo "zložiti" na LED in dodati tudi žico:

1. Nalijte nekaj spajkalne paste in kositrite vse tri sponke.
2. S pinceto postavite MOSFET na LED diodo 0805. S priključek S se mora dotakniti vrha kondenzatorja
3. Spajkajte S -terminal s koncem kondenzatorja, kot je prikazano na fotografiji.
4. Odrežite manjši odsek enožilne žice AWG #30 in odstranite premaz približno 1 cm.
5. Spajkalnik raztopite spajkalnik v luknji XSHUT od spodaj in vstavite žico #30 od zgoraj, kot je prikazano na fotografiji.
6. Spajkanje zgornjega konca žice na priključek MOSFET D.
7. Odrežite dodatno žico.

Opomba: Priključek MOSFET S je priključen na konec kondenzatorja, kot je prikazano na sliki. Ta konec je ozemljitveni terminal. Priključek MOSFET D je priključen na izvirni pin XSHUT.

Sponka G trenutno ni priključena. Njegov položaj je tik nad nekaterimi vlečnimi upori. Prepričajte se, da je med njima (N-MOS in upor) vrzel in da se ne stikata med seboj.

5. korak: Ožičenje niza senzorjev

Običajno ožičenje avtobusa

Skupni avtobus vključuje:

• Napajanje Vcc. Rdeča na fotografiji. Uporabljam arduino nano s 5v logiko. Odklopna plošča ima LDO in menjalnik ravni. Zato je varno uporabljati 5v kot Vin.
• Tla. Črna na fotografiji.
• SDA. Na fotografiji zelena.
• SCL. Rumena na fotografiji.

Te štiri vrstice so skupne. Odrežite žice ustrezne dolžine in jih vzporedno spajkajte na vse senzorske module. Uporabil sem 20 cm od arduina do prvega senzorja, nato pa 5 cm vsak.

Ožičenje XSHUTN in GPIO

20 -centimetrska bela žica je od arduino kontrolnega zatiča do zatiča XSHUTN prvega senzorja. To je krmilna linija, ki je potrebna za odstranitev prvega čipa VL53L0X iz ponastavitve in spremembo naslova I2C.

5 -centimetrska bela žica med vsakim modulom je krmilna veriga marjetice. Vzvodni čip (na primer čip #3) GPIO blazinica je priključen na spodnji tok (na primer čip #4) XSHUTN krak (N-kanalni MOSFET G terminal).

Pazite, da priključek G ne pride v stik s spodnjim uporom. V vrzel lahko dodate izolacijski trak. Tu lahko uporabite zaščitno oblogo, ki je običajno priložena čipu VL53L0X.

Krmilno žico prilepite s toplotno pištolo.

Vroče lepilo

Kot lahko vidite na fotografiji, je na beli krmilni žici, blizu terminala N-MOS G, madež vročega lepila. Ta korak je zelo pomemben in nujno potreben. Lebdeče spajkanje neposredno na nogo komponente SMD je zelo šibko. Tudi majhen pritisk na žico lahko zlomi nogo. Ta korak naredite nežno.

Testiranje LED

Ko napajate (npr. 3.3v-5v) in ozemljite senzorsko polje, mora LED na prvem modulu reagirati z logičnim nivojem žice XSHUTN. Če priključite XSHUTN na visoko logiko (npr. 3.3v-5v), mora LED lučka ugasniti. Če priključite žico XSHUTN na nizko (ozemljitev), mora LED na prvem modulu prižgati.

Pri vseh naslednjih modulih naj LED ne sveti.

Ta test se izvede pred priključitvijo na arduino.

6. korak: Dokončanje niza senzorjev

Testiranje verižice marjetice

Zdaj želimo preveriti, ali sprememba naslova I2C deluje za vse senzorje v matriki. Kot že omenjeno, prvi čip nadzoruje arduino. Drugi čip nadzira prvi čip itd.

1. Namestite ploščo za kruh. 5V in zemeljska tirnica sta neposredno povezana z adriano 5V in maso. Poraba toka za vsak senzor je v podatkovnem listu ocenjena na 19ma.
2. Dodajte kondenzator na napajalno tirnico za stabilizacijo Vina.
3. Priključite Vin in Ground iz niza senzorjev na napajalno tirnico.
4. Priključite SDA na arduino Nano pin A4 (lahko se razlikuje za druge mikrokrmilnike).
5. Priključite SCL na arduino Nano pin A5 (lahko se razlikuje za druge mikrokrmilnike).
6. Priključite žico XSHUTN na arduino Nano pin D2. (To se lahko spremeni v skici).
7. Pojdite na github https://github.com/FuzzyNoodle/Fuzzy-Radar in prenesite knjižnico.
8. Odprite primer "Daisy_Chain_Testing" in naložite skico.

Če vse deluje, bi morale LED za stanje zasvetiti ena za drugo, podobno kot zgornji video posnetek.

Odprete lahko tudi serijsko okno in vidite napredek inicializacije. Izhod bi izgledal takole:

Odpiranje vratPort odprt Začetna skica. Nastavite čip 0 v način ponastavitve. Vse LED diode stanja morajo biti izklopljene. Zdaj konfigurirajte senzorje. LED naj sveti ena za drugo. Konfiguriranje čipa 0 - Ponastavite naslov I2C na 83 - Inicializirajte senzor. Konfiguriranje čipa 1 - Ponastavite naslov I2C na 84 - Inicializirajte senzor. Konfiguriranje čipa 2 - Ponastavite naslov I2C na 85 - Inicializirajte senzor. Konfiguracija nizov radarjev je dokončana.

Sestavite držalo in okvir

1. Vsak modul GY-530 previdno namestite na držalo z vijakom M2x10. Ne pritiskajte na MOSFET in ne vlecite za žice XSHUTN.
2. Vsako držalo postavite v krožni okvir. Za lepljenje delov uporabite nekaj vročega lepila.

Tudi vijaki, držala in krožni okvir M2 se uporabljajo za postavitev senzorjev v krožno razporeditev. Uporabite lahko katero koli drugo metodo, na primer uporabo kartonskih plošč, modelnega lesa, gline ali celo vroče lepilo na pločevinko.

Spodaj so navedene 3D tiskane datoteke, ki sem jih uporabil. Okrogel okvir ima 9 modulov, ločenih po 10 stopinj. Če imate ostro oko, je bilo na prejšnjih fotografijah 10 modulov. Razlog? Spodaj razloženo…

Odstranite zaščitno podlogo

Če ste sledili korakom od začetka, je pravi čas, da odstranite zaščitno oblogo na čipu VL53L0X. Na mojih prejšnjih fotografijah so že odstranjene, ker moram pred objavo teh navodil preizkusiti module in se prepričati, da koncept deluje.

V varnostnem listu je v podatkovnem listu zapisano: "Stranka ga mora odstraniti tik pred namestitvijo pokrovnega stekla". Dve majhni luknji (oddajnik in sprejemnik) na čipu VL53L0X sta občutljivi na onesnaženje, kot so prah, mast, vroče lepilo itd.

Ko je onesnažen, se lahko obseg zmanjša, odčitki pa se lahko zmanjšajo za očitno količino. Eden od mojih testnih modulov je pomotoma onesnažen z lepilno glino, doseg se zmanjša na 40 cm, odčitavanje razdalje pa se pomotoma poveča za 50%. Zato bodite previdni!

7. korak: Pridobivanje podatkov

Z uporabo primera Raw_Data_Serial_Output

Zdaj zelo radi vidimo podatke iz našega niza senzorjev. V knjižnici arduino na GitHubu:

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

Obstaja primer Raw_Data_Serial_Output. Ta primer prikazuje izhodne surove podatke iz matrike senzorjev. Izhodne vrednosti so v milimetrih.

Ko se senzorji inicializirajo, bi morali videti nekaj takega v serijskem oknu, ko z roko zamahnete skozi senzorje:

Za predstavitev v živo si oglejte video posnetek.

Z uporabo primera Fuzzy_Radar_Serial_Output

Naslednji korak je pridobivanje koristnih podatkov iz teh odčitkov razdalje. Od RADAR -a smo želeli razdaljo in kot ciljnega predmeta.

• Razdalja je v milimetrih, povezana s površino senzorja. Vrnitev 0 pomeni, da je cilj izven dosega.
• Kot je v stopinjah, na vodoravni ravnini. Koda trenutno pričakuje, da so senzorji enakomerno razporejeni. Vrnitev 0 stopinj pomeni, da je tarča v osrednjem položaju matrike.

V knjižnici je uporabljenih nekaj algoritmov filtriranja:

• Odstranjevanje hrupa:

  • Kratki (glede na število vzorcev) odčitki se štejejo za hrup in se odstranijo.
  • Odčitki, ki so daleč od povprečne vrednosti, se odstranijo.

• Izračun kota teže (glej sliko zgoraj)

  • Predvideva se, da je ciljni objekt ravna površina
  • Če je objekt zaznalo več senzorjev hkrati, se za vsak senzor izračuna teža.
  • Teža vsakega senzorja je obratno odvisna od njegove razdalje.
  • Rezultat angela se izračuna iz uteženega kota vsakega senzorja.

• Izbira primarnega cilja:

  • Če obstaja več kot ena skupina odčitkov, ostane najširša (z več števila odčitkov senzorjev).
  • Če na primer postavite dve roki pred niz senzorjev, roka, ki jo zazna več senzorjev, ostane.

• Najbližja izbira cilja:

  • Če obstaja več kot ena zaznana skupina z enako širino, skupina na najbližji razdalji ostane.
  • Če na primer postavite dve roki pred niz senzorjev in imata dve zaznani skupini enako število senzorjev, skupina, ki je bližje senzorju, ostane.

Izhodna razdalja in kot sta zglajena skozi nizkoprepustni filter

V izhodu Raw_Data_Serial_Output se surovi odčitki razdalje pretvorijo v vrednost razdalje in kota. Ko naložite skico, lahko odprete serijsko okno in si ogledate rezultat, podoben temu:

Noben objekt ni zaznan. Noben objekt ni zaznan. Noben objekt ni zaznan. Razdalja = 0056 Kot = 017 Razdalja = 0066 Kot = 014 Razdalja = 0077 Kot = 011 Razdalja = 0083 Kot = 010 Razdalja = 0081 Kot = 004 Razdalja = 0082 Kot = 000 Razdalja = 0092 Kot = 002 Razdalja = 0097 Kot = 001 Razdalja = 0096 kot = 001 razdalja = 0099 kot = 000 razdalja = 0101 kot = -002 razdalja = 0092 kot = -004 razdalja = 0095 kot = -007 razdalja = 0101 kot = -008 razdalja = 0112 kot = -014 razdalja = 0118 kot = -017 razdalja = 0122 kot = -019 razdalja = 0125 kot = -019 razdalja = 0126 kot = -020 razdalja = 0125 kot = -022 razdalja = 0124 kot = -024 razdalja = 0133 kot = -027 razdalja = 0138 kot = - 031 Razdalja = 0140 Kot = -033 Razdalja = 0136 Kot = -033 Razdalja = 0125 Kot = -037 Razdalja = 0120 Kot = -038 Razdalja = 0141 Kot = -039 Objekt ni zaznan. Noben objekt ni zaznan. Noben objekt ni zaznan.

Torej, zdaj imate RADAR (LIDAR):

• Manjši od ultrazvočnih senzorskih modulov
• Brez gibljivih delov
• Skenira pri 40 Hz.
• Oblikovan kot pas, ga je mogoče namestiti na okrogel okvir
• Uporabljajte samo tri krmilne žice, plus napajanje in ozemljitev.
• Ima razpon od 30 milimetrov do okoli 1000 milimetrov.

V naslednjih korakih vam bomo pokazali nekaj kul predstavitev!

8. korak: Laser Tracer (demonstracija)

To je en primer uporabe stacionarnega radarja, ki smo ga zgradili iz prejšnjih korakov. Ta korak ni podrobno napisan, saj gre za demonstratorja radarja. Na splošno za izdelavo tega predstavitvenega projekta potrebujete te dodatne elemente:

• Dva servomotorja
• Glava, ki oddaja laserski svinčnik
• MOSFET ali NPN tranzistor za nadzor izhoda laserske glave
• Vir napajanja za servomotorje. Ločiti ga je treba od mikrokrmilnika.

Kodo lahko prenesete tukaj.

Oglejte si priložen video.

9. korak: Gledati Poopeyes (demonstracija)

Prikaz uporabe radarja za sledenje lokacije in oddaljenosti objekta.