DIY sienas sekošanas robots: 9 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:53

Šajā pamācībā mēs izskaidrosim, kā izveidot šķēršļu noteikšanas un novēršanas sistēmu, izmantojot GreenPAK ™ kopā ar dažiem ārējiem ultraskaņas un infrasarkanajiem (IR) sensoriem. Šis dizains iepazīstinās ar dažām tēmām, kas nepieciešamas autonomām un mākslīgi inteliģentām robotu sistēmām.

Tālāk mēs aprakstījām darbības, kas vajadzīgas, lai saprastu, kā risinājums ir ieprogrammēts, lai izveidotu sienu sekojošu robotu. Tomēr, ja vēlaties tikai iegūt programmēšanas rezultātu, lejupielādējiet GreenPAK programmatūru, lai apskatītu jau pabeigto GreenPAK dizaina failu. Pievienojiet GreenPAK attīstības komplektu datoram un nospiediet programmu, lai izveidotu sienu sekojošu robotu.

1. darbība: paziņojums par problēmu

Nesen tika atjaunota interese par mākslīgo intelektu, un liela daļa šīs intereses ir vērsta uz pilnībā autonomām un inteliģentām mašīnām. Šādi roboti var samazināt cilvēku atbildību un paplašināt automatizāciju tādās jomās kā civildienests un aizsardzība. MI pētnieki mēģina automatizēt tādus pakalpojumus kā ugunsdzēsība, medicīniskā aprūpe, katastrofu pārvaldība un dzīvības glābšanas pienākumi, izmantojot autonomus robotu transportlīdzekļus. Viens no šiem transportlīdzekļiem jāpārvar ir tas, kā veiksmīgi atklāt un izvairīties no tādiem šķēršļiem kā gruveši, ugunsgrēks, kļūmes utt.

2. darbība. Informācija par ieviešanu

Šajā pamācībā mēs izmantosim ultraskaņas sensoru, IR šķēršļu noteikšanas sensoru pāri, motora vadītāja ķēdi (L298N), četrus līdzstrāvas motorus, riteņus, četru riteņu piedziņas automašīnas skeletu un GreenPAK SLG46620V mikroshēmu.

GreenPAK kontrollera digitālā izvades tapa tiek izmantota, lai iedarbinātu ultraskaņas sensoru (pazīstams arī kā hidrolokators), un digitālā ievades tapa tiek izmantota, lai savāktu iegūto atbalsi no šķēršļiem analīzei. Tiek novērota arī IR šķēršļu noteikšanas sensora izeja. Ja kāds nosacījums ir piemērots, ja šķērslis ir pārāk tuvu, motori (savienoti ar katru no 4 riteņiem) tiek noregulēti, lai izvairītos no sadursmes.

3. darbība: skaidrojums

Autonomajam šķēršļu novēršanas robotam jāspēj gan atklāt šķēršļus, gan izvairīties no sadursmēm. Šāda robota konstrukcijai nepieciešams integrēt dažādus sensorus, piemēram, trieciena sensorus, infrasarkanos sensorus, ultraskaņas sensorus utt. Uzstādot šos sensorus robotam, tas var iegūt informāciju par apkārtni. Ultraskaņas sensors ir piemērots šķēršļu noteikšanai lēni braucošam autonomajam robotam, jo tam ir zemas izmaksas un samērā augsts diapazons.

Ultraskaņas sensors nosaka objektus, izstarojot īsu ultraskaņas pārrāvumu un pēc tam klausoties atbalsi. Vadot saimniekdatora mikrokontrolleru, sensors izstaro īsu 40 kHz impulsu. Šis impulss pārvietojas pa gaisu, līdz ietriecas objektā un pēc tam tiek atstarots atpakaļ uz sensoru. Sensors nodrošina izejas signālu saimniekdatoram, kas beidzas, kad tiek konstatēta atbalss. Tādā veidā atgrieztā impulsa platums tiek izmantots, lai aprēķinātu attālumu līdz objektam.

Šis robotu transportlīdzeklis, kas ļauj izvairīties no šķēršļiem, izmanto ultraskaņas sensoru, lai noteiktu objektus savā ceļā. Motori ir savienoti ar GreenPAK caur motora vadītāja IC. Ultraskaņas sensors ir pievienots robota priekšpusei, un divi IR šķēršļu noteikšanas sensori ir piestiprināti robota kreisajā un labajā pusē, lai noteiktu sānu šķēršļus.

Robotam virzoties pa vēlamo ceļu, ultraskaņas sensors nepārtraukti pārraida ultraskaņas viļņus. Ikreiz, kad robota priekšā ir šķērslis, ultraskaņas viļņi tiek atstaroti no šķēršļa un šī informācija tiek nodota GreenPAK. Vienlaikus IR sensori izstaro un uztver IR viļņus. Pēc ultraskaņas un IR sensoru ievades interpretēšanas GreenPAK kontrolē motorus katram no četriem riteņiem.

4. darbība. Algoritma apraksts

Iedarbināšanas laikā četri motori tiek ieslēgti vienlaicīgi, liekot robotam virzīties uz priekšu. Pēc tam ultraskaņas sensors regulāri izsūta impulsus no robota priekšpuses. Ja ir kāds šķērslis, skaņas impulsi tiek atspoguļoti un sensors tos nosaka. Impulsu atstarošana ir atkarīga no šķēršļa fiziskā stāvokļa: ja tā forma ir neregulāra, tad atstaroto impulsu būs mazāk; ja tas ir vienāds, tad lielākā daļa pārraidīto impulsu tiks atspoguļota. Pārdomas ir atkarīgas arī no šķēršļa virziena. Ja tas ir nedaudz sasvērts vai novietots paralēli sensoram, tad lielākā daļa skaņas viļņu iziet bez atstarošanās.

Ja robota priekšā tiek konstatēts šķērslis, tiek novērota sānu izeja no IR sensoriem. Ja labajā pusē tiek konstatēts šķērslis, robota kreisās puses riepas tiek atspējotas, izraisot tā pagriešanos pa kreisi un otrādi. Ja šķērslis netiek atklāts, algoritms tiek atkārtots. Plūsmas diagramma ir parādīta 2. attēlā.

5. solis: ultraskaņas sensors HC-SR04

Ultraskaņas sensors ir ierīce, kas var izmērīt attālumu līdz objektam, izmantojot skaņas viļņus. Tas mēra attālumu, izsūtot skaņas vilni noteiktā frekvencē un klausoties, vai šis skaņas vilnis atgriežas. Ierakstot laiku, kas pagājis starp ģenerēto skaņas vilni un skaņas viļņa atgriešanos, ir iespējams aprēķināt attālumu starp hidrolokatora sensoru un objektu. Skaņa gaisā pārvietojas ar ātrumu aptuveni 344 m/s (1129 pēdas/s), tāpēc jūs varat aprēķināt attālumu līdz objektam, izmantojot formulu 1.

Ultraskaņas sensors HC-SR04 sastāv no četrām tapām: Vdd, GND, Trigger un Echo. Ikreiz, kad impulsa no kontroliera tiek iedarbināts uz sprūda tapu, sensors izstaro ultraskaņas viļņu no “skaļruņa”. Atspoguļotos viļņus nosaka “uztvērējs”, un tie tiek pārsūtīti atpakaļ uz kontrolieri, izmantojot atbalss tapu. Jo lielāks attālums starp sensoru un šķērsli, jo ilgāks būs impulss pie Echo tapas. Pulss paliek ieslēgts tik ilgi, cik nepieciešams, lai sonāra impulss pārvietotos no sensora un atgrieztos atpakaļ, dalīts ar diviem. Kad tiek iedarbināts hidrolokators, ieslēdzas iekšējais taimeris un tas turpinās, līdz tiek atklāts atstarotais vilnis. Šis laiks tiek dalīts ar diviem, jo patiesais laiks, kas skaņas vilnim bija vajadzīgs, lai sasniegtu šķērsli, bija puse no laika, kas bija ieslēgts taimeris.

Ultraskaņas sensora darbība ir parādīta 4. attēlā.

Lai ģenerētu ultraskaņas impulsu, aktivizētājs jāiestata HIGH stāvoklī 10μs. Tas izsūtīs 8 ciklu skaņas pārrāvumu, kas atspoguļos visus šķēršļus ierīces priekšā un saņems sensors. Echo tapa izvadīs laiku (mikrosekundēs), kurā skaņas vilnis pārvietojās.

6. solis: Infrasarkano staru šķēršļu noteikšanas sensora modulis

Tāpat kā ultraskaņas sensors, arī infrasarkano (IR) šķēršļu noteikšanas pamatkoncepcija ir IR signāla (starojuma veidā) pārraide un tā atstarošanas novērošana. IR sensora modulis ir parādīts 6. attēlā.

Iespējas

• Uz shēmas plates ir šķēršļu indikators
• Digitālais izejas signāls
• Noteikšanas attālums: 2 ~ 30 cm
• Noteikšanas leņķis: 35 °
• Salīdzinātāja mikroshēma: LM393
• Regulējams noteikšanas attāluma diapazons, izmantojot potenciometru:

○ pulksteņrādītāja virzienā: palieliniet noteikšanas attālumu

○ pretēji pulksteņrādītāja virzienam: samaziniet noteikšanas attālumu

Specifikācijas

• Darba spriegums: 3 - 5 V DC
• Izejas veids: digitālā komutācijas izeja (0 un 1)
• 3 mm skrūvju atveres ērtai montāžai
• Dēļa izmērs: 3,2 x 1,4 cm

Kontroles indikatora apraksts, kas aprakstīts 1. tabulā.

7. darbība: motora vadītāja ķēde L298N

Motora vadītāja ķēde vai H-tilts tiek izmantota, lai kontrolētu līdzstrāvas motoru ātrumu un virzienu. Tam ir divas ieejas, kas jāpievieno atsevišķam līdzstrāvas avotam (motori patērē lielu strāvu un nevar tikt piegādāti tieši no kontroliera), divi izeju komplekti katram motoram (pozitīvs un negatīvs), divi iespējošanas tapas katram izeju komplekts un divi tapu komplekti katras motora izejas virziena kontrolei (divas tapas katram motoram). Ja kreisākajām divām tapām tiek dota loģiskā pakāpe HIGH vienam tapam un LOW otram, motors, kas pievienots kreisajai izejai, griezīsies vienā virzienā, un, ja loģikas secība ir apgriezta (LOW un HIGH), motori griezīsies pretējā virzienā. Tas pats attiecas uz labākajām tapām un labo izplūdes motoru. Ja abām pāra tapām ir dots loģiskais līmenis HIGH vai LOW, motori apstāsies.

Šis divvirzienu divvirzienu motora draiveris ir balstīts uz ļoti populāro L298 Dual H-Bridge Motor Driver IC. Šis modulis ļauj viegli un neatkarīgi vadīt divus motorus abos virzienos. Vadībai tiek izmantoti standarta loģiskie signāli, un tā var vadīt divfāžu pakāpju motorus, četru fāžu pakāpju motorus un divfāžu līdzstrāvas motorus. Tam ir filtra kondensators un brīvgaitas diode, kas aizsargā ķēdē esošās ierīces no induktīvās slodzes reversās strāvas bojājumiem, uzlabojot uzticamību. L298 vadītāja spriegums ir 5-35 V un loģiskais līmenis 5 V.

Motora vadītāja funkcija ir aprakstīta 2. tabulā.

Blokshēma, kas parāda savienojumus starp ultraskaņas sensoru, motora draiveri un GPAK mikroshēmu, ir parādīta 8. attēlā.

8. solis: GreenPAK dizains

Matricā 0 sensora sprūda ieeja tika ģenerēta, izmantojot CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 un oscilatoru. Ievadi no ultraskaņas sensora atbalss tapas nolasa, izmantojot Pin3. Trīs ieejas tiek izmantotas pie 3 bitu LUT0: viena no Echo, otra no Trigger un trešā ir Trigger ievade, ko aizkavē 30 mums. Šīs uzmeklēšanas tabulas izeja tiek izmantota 1. matricā. IS sensoru izeja tiek ņemta arī matricā 0.

Matricā 1 porti P1 un P6 ir VAI kopā un savienoti ar Pin17, kas ir pievienots motora draivera Pin1. Pin18 vienmēr ir zemā loģikā un ir savienots ar motora draivera Pin2. Tāpat porti P2 un P7 ir VAI kopā un savienoti ar GreenPAK Pin20, kas ir pievienots motora draivera ķēdes P3. Pin19 ir savienots ar motora draivera Pin4 un vienmēr ir zemā loģikā.

Ja atbalss tapa ir HIGH, tas nozīmē, ka robota priekšā atrodas objekts. Pēc tam robots no IR sensoriem pārbauda, vai nav šķēršļu kreisajā un labajā pusē. Ja šķērslis atrodas arī robota labajā pusē, tad tas pagriežas pa kreisi, un, ja šķērslis atrodas kreisajā pusē, tad tas pagriežas pa labi. Tādā veidā robots izvairās no šķēršļiem un pārvietojas bez sadursmes.

Secinājums

Šajā instrukcijā mēs izveidojām vienkāršu automātisku šķēršļu noteikšanas un izvairīšanās transportlīdzekli, kā galveno vadības elementu izmantojot GreenPAK SLG46620V. Izmantojot dažas papildu shēmas, šo dizainu varētu uzlabot, lai veiktu citus uzdevumus, piemēram, ceļa atrašanu uz noteiktu punktu, labirinta risināšanas algoritmu, rindas sekošanas algoritmu utt.

9. solis: aparatūras attēli