Utrasonic izvairīšanās robots, izmantojot Arduino: 7 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

Šajā apmācībā es jums parādīšu, kā izveidot savu šķērsli, izvairoties no robota! Mēs izmantosim Arduino UNO plati un ultraskaņas sensoru. Ja robots atklāj sev priekšā kādu priekšmetu, izmantojot nelielu servomotoru, tas skenē laukumu pa kreisi un pa labi, lai atrastu labāko pagriešanās veidu. Tam ir arī paziņojuma gaismas diode, skaņas signāls, kas atskaņo signālu, kad tiek atklāts objekts, un poga robota funkcijas maiņai (apturēta/virzās uz priekšu).

To ir ļoti viegli pagatavot!

1. solis: lietas, kas jāizveido

Šim projektam jums būs nepieciešams:

1. Arduino UNO (iegādājieties to vietnē gearbest.com)
2. Mini maizes dēlis (iegādājieties to vietnē gearbest.com)
3. L298 motora draivera modulis (iegādājieties to vietnē gearbest.com)
4. 2x līdzstrāvas motori ar riteņiem HC-SR04 ultraskaņas sensors (iegādājieties to no gearbest.com)
5. Mikro servomotors (iegādājieties to vietnē gearbest.com)
6. Poga Sarkana LED 220 Ohm rezistors 9V akumulatora turētājs (ar strāvas ligzdu vai bez tās)
7. 8 starplikas (vīrietis-sieviete),
8. 8 uzgriežņi un 8 skrūves, jums būs nepieciešams arī viens liels (metāla)

saspraudi un lodītes, lai izveidotu aizmugurējo atbalsta riteni.

Robotu bāzei es izmantoju Acryllic Chasis no Aliexpress. Varat arī izmantot koka vai metāla gabalu (vai divas elektriskās plāksnes).

Visa projekta izmaksas ir aptuveni 20 USD

Instrumenti: urbjmašīnas superlīmes apkalpes vadītāja karstā pistoles līme (pēc izvēles) Jauda:

Mēs izmantosim 9 V akumulatoru, lai ieslēgtu mūsu robotu, jo tas ir mazs un lēts, taču tas nav ļoti jaudīgs un pēc aptuveni vienas stundas būs tukšs. Apsveriet, vai vēlaties izmantot atkārtoti uzlādējamu akumulatoru (vismaz 6 V, maks. 7 V), kas būs jaudīgāks, taču tas būs arī dārgāks un lielāks par 9 V akumulatoru. Abonēt Mūsu YouTube kanāls Noklikšķiniet šeit

2. solis: izpratne par jēdzieniem

Mērķis ir likt robotam apzināties viņa priekšā esošos šķēršļus, lai viņš varētu mainīt virzienu un izvairīties no tiem. Iepriekšējā rakstā mēs likām robotam kustēties - tagad mēs viņam piešķirsim zināmu autonomiju.

Ultraskaņas sensors

HC-SR04 ir ķēde, kas spēj izmērīt attālumu līdz objektiem līdz 4 metriem, izmantojot ultraskaņas viļņus. Tas nosūta ping (piemēram, zemūdene) un mēra laiku (mikrosekundēs) starp nosūtīšanu un saņemšanu atpakaļ. Pēc tam šis laiks tiek dalīts ar 2, jo vilnis pārvietojas uz priekšu un atpakaļ. Pēc tam daliet ar 29, lai iegūtu attālumu centimetros (vai 74 collas), jo skaņa pārvietojas 29,4 µs uz centimetru (340 m/s). Sensors ir ļoti precīzs ar ~ 3 mm pielaidi un viegli integrējams ar Arduino.

Saskarnes ultraskaņas sensors ar AVR mikrokontrolleri

Jebkuram autonomajam robotam jābūt novietotam no šķēršļiem un jāpievieno attāluma mērīšanas sensors. IR raiduztvērēja pāris vai pelēktoņu sensors var viegli darboties šķēršļu noteikšanai diapazonā no 1 cm līdz 10 cm. Infrasarkanie tālmēri (piemēram, no asiem) var izmērīt attālumu līdz tuvākajam šķērslim ar diapazonu līdz 100 cm. Tomēr IR sensorus ietekmē saules gaisma un citi gaismas avoti. IR attāluma meklētājiem ir mazāks diapazons un arī dārgi tam, ko tas dara. Ultraskaņas sensori (pazīstami arī kā ultraskaņas tuvuma sensori vai hidrolokatori) veic abus šos uzdevumus par saprātīgām izmaksām un ārkārtēju precizitāti. Diapazons ir no 3 cm līdz 350 cm ar ~ 3 mm precizitāti. Piesaistot vienu no šiem ultraskaņas sensoriem mūsu robotam, tas var darboties gan kā šķēršļu novēršanas līdzeklis, gan kā attāluma mērīšanas sensors.

“Ultraskaņas” skaņa attiecas uz jebko, kas pārsniedz skaņas skaņas frekvences, un nomināli ietver visu, kas pārsniedz 20 000 Hz vai 20 kHz! Robotikai izmantotie lētie ultraskaņas sensori parasti darbojas diapazonā no 40 kHz līdz 250 kHz, savukārt medicīnas iekārtās izmantotie līdz 10 MHz.

3. darbība. Nepieciešamie rīki

1. Multimetrs
2. Maizes dēlis
3. Adatu deguna knaibles
4. Stiepļu noņēmējs
5. Stiepļu griezējs
6. Līmes pistole

Multimetrs faktiski ir vienkārša ierīce, ko galvenokārt izmanto sprieguma un pretestības mērīšanai un ķēdes slēgšanas noteikšanai. Līdzīgi kā datora koda atkļūdošana, multimetrs palīdz “atkļūdot” jūsu elektroniskās shēmas.

Celtniecības materiāli

Viegli pieejams plānas koksnes un/vai plexiglas krājums mehāniskā rāmja izgatavošanai ir ļoti noderīgs. Metālus, piemēram, alumīniju un tēraudu, bieži izmanto tikai tiem, kam ir piekļuve mašīnu darbnīcai, lai gan plānu alumīniju var griezt ar šķērēm un saliekt ar rokām. Mehāniskos rāmjus var veidot pat no sadzīves priekšmetiem, piemēram, plastmasas traukiem.

Lai gan ir iespējami citi materiāli, piemēram, plastmasa (izņemot plexiglas) vai eksotiskāki materiāli, piemēram, stikla šķiedra un oglekļa šķiedra, tie šajā rokasgrāmatā netiks ņemti vērā. Vairāki ražotāji ir atzīmējuši, ka lielākajai daļai hobiju nav viegli izgatavot savas mehāniskās detaļas, un ir izveidojuši modulāras mehāniskās detaļas. Līderis šajā jomā ir Lynxmotion, kas piedāvā plašu robotu dizainu klāstu, kā arī detaļas, kas nepieciešamas, lai izgatavotu savus pielāgotos robotus.

Darbarīki

Ir nepieciešami dažāda veida un izmēra skrūvgrieži un knaibles (ieskaitot juveliera instrumentu komplektu: mazie skrūvgrieži, kas parasti pieejami dolāru veikalos). Svarīga ir arī urbjmašīna (vēlams urbšanas prese taisniem caurumiem). Rokas zāģis celtniecības materiālu (vai maršrutētāja) griešanai ir arī svarīga vērtība. Ja budžets atļauj, neliels galda lentzāģis (200 ASV dolāru diapazons) noteikti ir instruments, kas jāņem vērā.

Maizes dēlis bez lodēšanas

Lodmetāla maizes dēlis ļauj optimizēt izkārtojumu un viegli savienot komponentus. Kopā ar bezlodēšanas maizes dēli, jums ir jāiegādājas iepriekš izveidots džemperu stiepļu komplekts, kas sastāv no iepriekš izgrieztiem un saliektiem vadiem, kas paredzēti lietošanai ar bezlodēšanas maizes dēli. Tas padara savienojumus ļoti vienkāršus.

Mazs skrūvgriežu komplekts

Šie mazie skrūvgrieži ir nepieciešami, strādājot ar elektroniku. Nespiediet tos pārāk daudz - to izmērs padara tos trauslākus.

Parasts skrūvgriežu komplekts

Visām darbnīcām ir nepieciešams daudzinstrumentu vai instrumentu komplekts, kas ietver plakanas / Phillips un citas skrūvgriežu galvas.

Adatu deguna knaibles

adatas knaibles ir neticami noderīgs, strādājot ar mazām sastāvdaļām un detaļām, un tas ir ļoti lēts papildinājums jūsu instrumentu komplektam. Tie atšķiras no parastajiem knaiblēm, jo tie nonāk vietā, kas var nokļūt nelielās vietās.

Stiepļu noņēmēji/griezēji

Jūs plānojat pārgriezt visus vadus, vadu noņēmējs ietaupīs ievērojamu laiku un pūles. Stieples noņēmējs, pareizi lietojot, noņems tikai kabeļa izolāciju un neradīs nekādus saliekumus un nesabojās vadītājus. Otra stiepļu noņēmēja alternatīva ir šķēres, lai gan gala rezultāts var būt netīrs. Šķēres, lineāls, pildspalva, marķiera zīmulis, Exacto nazis (vai cits rokas griezējinstruments) Šīs ir būtiskas lietas jebkurā birojā.

4. darbība. AVR kodēšanas padomi

Skaņas ātruma aprēķināšana attiecībā pret ultraskaņas sensoriem

Neliela matemātika, bet nebaidieties. Tas ir vienkāršāk, nekā jūs domājat.

Skaņas ātrums sausā gaisā istabas temperatūrā (~ 20 ° C) = 343 metri sekundē

Lai skaņas vilnis sasniegtu tuvējo objektu un turp un atpakaļ, tas ir = 343/2 = 171,5 m/tā kā lēta ultraskaņas sensora maksimālais diapazons nav lielāks par 5 metriem (turp un atpakaļ), būtu lietderīgāk mainīt vienības uz centimetriem un mikrosekundēm.

1 metrs = 100 centimetri 1) = 58.30903790087464 us/cm = 58,31 us/cm (noapaļojot līdz diviem cipariem, lai atvieglotu aprēķinus)Tāpēc laiks, kas vajadzīgs, lai impulss nokļūtu objektā un atlektu par 1 centimetru, ir 58,31 mikrosekundes.

neliels priekšstats par AVR pulksteņa cikliem

Lai saprastu AVR pulksteņa ciklus, nepieciešama pavisam cita nodaļa, taču mēs īsumā sapratīsim, kā tas darbojas, lai atvieglotu mūsu aprēķinus

Mūsu piemērā mēs izmantosim AVR Draco plati, kurai ir 8 bitu AVR-Atmega328P mikrokontrolleris. Lai viss būtu vienkāršs, mēs neuzlabosim mikrokontrollera iestatījumus. Nav pieskāries drošinātāju uzgaļiem; Nav pievienots ārējs kristāls; Galvassāpes nav. Rūpnīcas iestatījumos tas darbojas ar iekšējo 8MHz oscilatoru ar a /8 prescaler; Ja jūs to visu nesaprotat, tas vienkārši nozīmē, ka mikrokontrolleris darbojas ar 1MHz iekšējo RC oscilatoru un katrs pulksteņa cikls aizņem 1 mikrosekundi.

1 2 1MHz = no 1000000 cikliem sekundē Tāpēc 1s/1000000 = 1/1000000 = 1us

AVR pulksteņi un attāluma pārveidošana

Mēs gandrīz esam klāt! Kad mēs zinām, kā AVR pulksteņa ciklus pārvērst par skaņas viļņu nobraukto attālumu, loģikas ieviešana programmā ir vienkārša.

Mēs zinām, ka ultraskaņas skaņas ātrums ideālā vidē ir: 58,31 us/cm

Mēs zinām, ka AVR mikrokontrollera izšķirtspēja ir 1us/pulksteņa cikls (CLK)

Tāpēc attālums, ko skaņa noiet vienā pulksteņa ciklā (CLK), ir:

1 2 3 = (58,31 us/ cm) x (1us/ clk) = 58,31 pulksteņa cikls/ cm vai = 1/58,31 cm/ clk

Ja ir zināms pulksteņa ciklu skaits, kas nepieciešams, lai skaņa pārvietotos un atgrieztos, mēs varam viegli aprēķināt attālumu. Piemēram, ja sensora pārvietošanās un atlēkšana prasa 1000 pulksteņa ciklus, tad attālums no sensora līdz tuvākajam objektam ir = 1000/58,31 = 17,15 cm (aptuveni)

Vai tagad visam ir jēga? Nē? Izlasi vēlreiz

Ja jums ir skaidra visa iepriekš minētā loģika, mēs to ieviesīsim reālās pasaules scenārijā, savienojot lētu ultraskaņas sensoru HC-SR04 ar mūsu AVR Arduino plati.

5. darbība. Aparatūras savienojumi:

Arduino Board ļauj ērti pieslēgt visus ārējos sensorus un arī apskatīt rezultātus LCD. Ultraskaņas diapazona noteikšanai mēs izmantojam lētu HC-SR04 moduli. Modulim ir 4 tapas, kuras var savienot ar mikrokontrollera plati: VCC, TRIG, ECHO un GND.

Savienojiet VCC tapu ar 5 V un GND tapu pie zemes Arduino plāksnē.

TRIG tapu un ECHO tapu var savienot ar visām pieejamajām tapām uz tāfeles. Nosūtot vismaz 10us “augstu” signālu, lai aktivizētu tapu, tiek nosūtīti astoņi 40 kHz skaņas viļņi un pacelts atbalss tapas augstumā. Ja skaņa atlec no tuvumā esoša objekta un atgriežas, tā tiek uztverta, saņemot devēju, un atbalss tapa tiek izvilkta “zema”.

Ir pieejami arī citi ultraskaņas sensoru moduļu varianti ar tikai 3 tapām. Darbības princips joprojām ir tāds pats, taču sprūda un atbalss tapu funkcionalitāte ir apvienota vienā tapā.

Pēc savienojuma izveides un atbalss tapas var konfigurēt, izmantojot programmatūru. Lai šis piemērs būtu vienkāršs, šajā piemērā mēs neizmantosim nekādas pārtraukšanas tapas (vai ievades uztveršanas tapu). Ja neizmantojat noteiktas pārtraukšanas tapas, mēs arī dodam iespēju brīvi savienot moduli ar visiem pieejamajiem tapām uz tāfeles.

6. darbība: kods

Tālāk esošajā kodā ir tikai “ultraskaņas” paplašinājums līdzstrāvas motora vadībai, izmantojot iepriekšējā raksta H-tiltu. Kad robots atklāj šķērsli priekšā, viņš apgriežas (nejauši) un turpina virzīties uz priekšu. Šo funkcionalitāti varētu viegli paplašināt, lai vienlaikus pagrieztu un noteiktu šķēršļus - tādējādi robots nepagrieztos nejauši, bet sāktu virzīties uz priekšu tikai tad, kad neviens objekts netiek atklāts.

Koda skaidrojumu skatiet kanālā iekļautajos YouTube videoklipos.

7. solis: video

Noskatieties video visam procesam.