DIY Robot Following Robot: 9 Βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Σε αυτό το Instructable, θα εξηγήσουμε πώς να σχεδιάσετε ένα σύστημα ανίχνευσης και αποφυγής εμποδίων χρησιμοποιώντας ένα GreenPAK ™ μαζί με μερικούς εξωτερικούς αισθητήρες υπερήχων και υπέρυθρων (IR). Αυτός ο σχεδιασμός θα εισαγάγει ορισμένα θέματα που απαιτούνται για αυτόνομα και τεχνητά ευφυή ρομποτικά συστήματα.

Παρακάτω περιγράψαμε τα βήματα που απαιτούνται για να καταλάβουμε πώς έχει προγραμματιστεί η λύση για τη δημιουργία ενός τοίχου μετά από ρομπότ. Ωστόσο, εάν θέλετε απλώς να λάβετε το αποτέλεσμα προγραμματισμού, κατεβάστε το λογισμικό GreenPAK για να δείτε το ήδη ολοκληρωμένο GreenPAK Design File. Συνδέστε το GreenPAK Development Kit στον υπολογιστή σας και πατήστε το πρόγραμμα για να δημιουργήσετε το ρομπότ τοίχου.

Βήμα 1: Δήλωση προβλήματος

Πρόσφατα ανανεώθηκε το ενδιαφέρον για την τεχνητή νοημοσύνη και μεγάλο μέρος αυτού του ενδιαφέροντος απευθύνεται σε πλήρως αυτόνομες και ευφυείς μηχανές. Τέτοια ρομπότ μπορούν να ελαχιστοποιήσουν την ανθρώπινη ευθύνη και να επεκτείνουν την αυτοματοποίηση σε τομείς όπως οι δημόσιες υπηρεσίες και η άμυνα. Οι ερευνητές τεχνητής νοημοσύνης προσπαθούν να αυτοματοποιήσουν υπηρεσίες όπως η πυρόσβεση, η ιατρική περίθαλψη, η διαχείριση καταστροφών και τα σωστικά καθήκοντα μέσω αυτόνομων ρομποτικών οχημάτων. Μια πρόκληση που πρέπει να ξεπεράσουν αυτά τα οχήματα είναι πώς να εντοπίσουν με επιτυχία και να αποφύγουν εμπόδια όπως μπάζα, φωτιά, παγίδες κλπ.

Βήμα 2: Λεπτομέρειες εφαρμογής

Σε αυτό το Instructable, θα χρησιμοποιήσουμε έναν υπερηχητικό αισθητήρα, ένα ζευγάρι αισθητήρες ανίχνευσης εμποδίων IR, ένα κύκλωμα οδηγού κινητήρα (L298N), τέσσερις κινητήρες DC, τροχούς, έναν σκελετό αυτοκινήτου με κίνηση στους 4 τροχούς και ένα τσιπ GreenPAK SLG46620V.

Ένας ψηφιακός πείρος εξόδου του ελεγκτή GreenPAK χρησιμοποιείται για την ενεργοποίηση του αισθητήρα υπερήχων (γνωστός και ως σόναρ), και ένας ψηφιακός πείρος εισόδου χρησιμοποιείται για τη συλλογή της προκύπτουσας ηχώ από τα εμπόδια που υπάρχουν για ανάλυση. Παρατηρείται επίσης η έξοδος του αισθητήρα ανίχνευσης εμποδίων IR. Μετά την εφαρμογή μιας σειράς συνθηκών, εάν ένα εμπόδιο είναι πολύ κοντά, οι κινητήρες (συνδεδεμένοι σε κάθε έναν από τους 4 τροχούς) ρυθμίζονται για να αποφευχθεί η σύγκρουση.

Βήμα 3: Επεξήγηση

Το αυτόνομο ρομπότ αποφυγής εμποδίων πρέπει να είναι ικανό να ανιχνεύει εμπόδια και να αποφεύγει συγκρούσεις. Ο σχεδιασμός ενός τέτοιου ρομπότ απαιτεί την ενσωμάτωση διαφορετικών αισθητήρων, όπως αισθητήρες χτυπήματος, αισθητήρες υπερύθρων, αισθητήρες υπερήχων κλπ. Με την τοποθέτηση αυτών των αισθητήρων στο ρομπότ, μπορεί να λάβει πληροφορίες για τη γύρω περιοχή. Ένας αισθητήρας υπερήχων είναι κατάλληλος για ανίχνευση εμποδίων για αυτόνομο ρομπότ αργής κίνησης, καθώς έχει χαμηλό κόστος και σχετικά υψηλό εύρος.

Ένας υπερηχητικός αισθητήρας ανιχνεύει αντικείμενα εκπέμποντας μια μικρή έκρηξη υπερήχων και στη συνέχεια ακούγοντας την ηχώ. Υπό τον έλεγχο ενός μικροελεγκτή κεντρικού υπολογιστή, ο αισθητήρας εκπέμπει έναν σύντομο παλμό 40 kHz. Αυτός ο παλμός ταξιδεύει στον αέρα μέχρι να χτυπήσει ένα αντικείμενο και στη συνέχεια ανακλάται πίσω στον αισθητήρα. Ο αισθητήρας παρέχει ένα σήμα εξόδου στον κεντρικό υπολογιστή που τερματίζεται όταν ανιχνεύεται η ηχώ. Με αυτόν τον τρόπο, το πλάτος του παλμού που επιστρέφεται χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της απόστασης από το αντικείμενο.

Αυτό το ρομποτικό όχημα αποφυγής εμποδίων χρησιμοποιεί έναν αισθητήρα υπερήχων για να ανιχνεύσει αντικείμενα στη διαδρομή του. Οι κινητήρες συνδέονται μέσω ενός IC οδηγού κινητήρα στο GreenPAK. Ο αισθητήρας υπερήχων είναι προσαρτημένος στο μπροστινό μέρος του ρομπότ και οι δύο αισθητήρες ανίχνευσης εμποδίων IR είναι προσαρτημένοι στην αριστερή και δεξιά πλευρά του ρομπότ για τον εντοπισμό πλευρικών εμποδίων.

Καθώς το ρομπότ κινείται στην επιθυμητή διαδρομή, ο αισθητήρας υπερήχων μεταδίδει συνεχώς κύματα υπερήχων. Κάθε φορά που υπάρχει εμπόδιο μπροστά από το ρομπότ, τα υπερηχητικά κύματα αντανακλώνται πίσω από το εμπόδιο και οι πληροφορίες αυτές διαβιβάζονται στο GreenPAK. Ταυτόχρονα, οι αισθητήρες IR εκπέμπουν και λαμβάνουν κύματα IR. Μετά την ερμηνεία των εισόδων από τους αισθητήρες υπερήχων και IR, το GreenPAK ελέγχει τους κινητήρες για κάθε έναν από τους τέσσερις τροχούς.

Βήμα 4: Περιγραφή αλγορίθμου

Κατά την εκκίνηση, οι τέσσερις κινητήρες ενεργοποιούνται ταυτόχρονα, προκαλώντας το ρομπότ να προχωρήσει. Στη συνέχεια, ο αισθητήρας υπερήχων στέλνει παλμούς από το μπροστινό μέρος του ρομπότ σε τακτά χρονικά διαστήματα. Εάν υπάρχει κάποιο εμπόδιο, οι παλμοί ήχου αντανακλώνται και ανιχνεύονται από τον αισθητήρα. Η αντανάκλαση των παλμών εξαρτάται από τη φυσική κατάσταση του εμποδίου: αν έχει ακανόνιστο σχήμα, τότε οι παλμοί που αντανακλώνται θα είναι λιγότεροι. αν είναι ομοιόμορφο, τότε οι περισσότεροι από τους μεταδιδόμενους παλμούς θα αντανακλώνται. Η αντανάκλαση εξαρτάται επίσης από την κατεύθυνση του εμποδίου. Εάν είναι ελαφρώς κεκλιμένο ή τοποθετημένο παράλληλα με τον αισθητήρα, τότε τα περισσότερα ηχητικά κύματα θα περάσουν χωρίς αντανάκλαση.

Όταν εντοπιστεί εμπόδιο μπροστά από το ρομπότ, τότε παρατηρούνται οι πλευρικές έξοδοι από τους αισθητήρες IR. Εάν εντοπιστεί εμπόδιο στη δεξιά πλευρά, τα ελαστικά της αριστερής πλευράς του ρομπότ απενεργοποιούνται, με αποτέλεσμα να στρίβει προς τα αριστερά και αντίστροφα. Εάν δεν εντοπιστεί κάποιο εμπόδιο, τότε ο αλγόριθμος επαναλαμβάνεται. Το διάγραμμα ροής φαίνεται στο σχήμα 2.

Βήμα 5: Αισθητήρας υπερήχων HC-SR04

Ο υπερηχητικός αισθητήρας είναι μια συσκευή που μπορεί να μετρήσει την απόσταση από ένα αντικείμενο χρησιμοποιώντας ηχητικά κύματα. Μετρά την απόσταση στέλνοντας ένα ηχητικό κύμα σε μια συγκεκριμένη συχνότητα και ακούγοντας το ηχητικό κύμα να αναπηδήσει. Με την καταγραφή του χρόνου που μεσολαβεί μεταξύ του ηχητικού κύματος που δημιουργείται και του ηχητικού κύματος που αναπηδά, είναι δυνατό να υπολογιστεί η απόσταση μεταξύ του αισθητήρα σόναρ και του αντικειμένου. Ο ήχος ταξιδεύει στον αέρα με ταχύτητα περίπου 344 m/s (1129 ft/s), οπότε μπορείτε να υπολογίσετε την απόσταση από το αντικείμενο χρησιμοποιώντας τη Formula 1.

Ο αισθητήρας υπερήχων HC-SR04 αποτελείται από τέσσερις ακίδες: Vdd, GND, Trigger και Echo. Κάθε φορά που ένας παλμός από τον ελεγκτή εφαρμόζεται στην ακίδα Trigger, ο αισθητήρας εκπέμπει ένα κύμα υπερήχων από ένα "ηχείο". Τα ανακλώμενα κύματα ανιχνεύονται από τον "δέκτη" και μεταδίδονται πίσω στον ελεγκτή μέσω του πείρου Echo. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ του αισθητήρα και ενός εμποδίου, τόσο μεγαλύτερος θα είναι ο παλμός στην ακίδα Echo. Ο παλμός παραμένει αναμμένος για το χρονικό διάστημα που χρειάζεται ο παλμός σόναρ για να ταξιδέψει από τον αισθητήρα και να επιστρέψει πίσω, διαιρούμενος με δύο. Όταν ενεργοποιείται το σόναρ, ξεκινά ένα εσωτερικό χρονόμετρο και συνεχίζεται μέχρι να ανιχνευθεί το ανακλώμενο κύμα. Αυτός ο χρόνος στη συνέχεια διαιρείται με δύο επειδή ο πραγματικός χρόνος που χρειάστηκε για να φτάσει το ηχητικό κύμα στο εμπόδιο ήταν ο μισός χρόνος που ήταν ενεργοποιημένος ο χρονοδιακόπτης.

Η λειτουργία του αισθητήρα υπερήχων απεικονίζεται στο σχήμα 4.

Για να δημιουργήσετε τον παλμό υπερήχων, πρέπει να ρυθμίσετε το Trigger σε Υ HIGHΗΛΗ κατάσταση για 10μs. Αυτό θα στείλει μια ηχητική έκρηξη 8 κύκλων, η οποία θα αντανακλά κάθε εμπόδιο μπροστά στη συσκευή και θα λαμβάνεται από τον αισθητήρα. Η ακίδα Echo θα εξάγει τον χρόνο (σε μικροδευτερόλεπτα) που διανύθηκε το ηχητικό κύμα.

Βήμα 6: Μονάδα αισθητήρα υπέρυθρης ανίχνευσης εμποδίων

Όπως και ο αισθητήρας υπερήχων, η βασική ιδέα της ανίχνευσης εμποδίων υπέρυθρων (IR) είναι η μετάδοση ενός σήματος IR (με τη μορφή ακτινοβολίας) και η παρατήρηση της αντανάκλασης του. Η μονάδα αισθητήρα IR παρουσιάζεται στο σχήμα 6.

Χαρακτηριστικά

• Υπάρχει μια ενδεικτική λυχνία εμποδίων στην πλακέτα κυκλώματος
• Digitalηφιακό σήμα εξόδου
• Απόσταση ανίχνευσης: 2 ~ 30 cm
• Γωνία ανίχνευσης: 35 °
• Τσιπ σύγκρισης: LM393
• Ρυθμιζόμενο εύρος απόστασης ανίχνευσης μέσω ποτενσιόμετρου:

○ δεξιόστροφα: Αυξήστε την απόσταση ανίχνευσης

○ Αριστερόστροφα: Μειώστε την απόσταση ανίχνευσης

Προδιαγραφές

• Τάση λειτουργίας: 3 - 5 V DC
• Τύπος εξόδου: Έξοδος ψηφιακής μεταγωγής (0 και 1)
• Βίδες 3 mm για εύκολη τοποθέτηση
• Μέγεθος σανίδας: 3,2 x 1,4 cm

Περιγραφή Δείκτη Ελέγχου που περιγράφεται στον Πίνακα 1.

Βήμα 7: Κύκλωμα οδήγησης κινητήρα L298N

Το κύκλωμα του οδηγού κινητήρα, ή H-Bridge, χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της ταχύτητας και της κατεύθυνσης των κινητήρων DC. Διαθέτει δύο εισόδους που πρέπει να συνδεθούν σε ξεχωριστή πηγή ισχύος DC (οι κινητήρες αντλούν έντονο ρεύμα και δεν μπορούν να τροφοδοτηθούν απευθείας από τον ελεγκτή), δύο σετ εξόδων για κάθε κινητήρα (θετικό και αρνητικό), δύο ακίδες ενεργοποίησης για κάθε σύνολο εξόδων και δύο σειρές ακίδων για τον έλεγχο κατεύθυνσης κάθε πρίζας κινητήρα (δύο ακίδες για κάθε κινητήρα). Εάν στους δύο αριστερούς πείρους παρέχονται λογικά επίπεδα Υ forΗ για τον έναν ακροδέκτη και ΧΑΜΗΛΟΣ για τον άλλο, ο κινητήρας που είναι συνδεδεμένος στην αριστερή πρίζα θα περιστρέφεται προς τη μία κατεύθυνση και αν η ακολουθία της λογικής αντιστραφεί (ΧΑΜΗΛΗ ΚΑΙ Υ HIGHΗΛΗ), οι κινητήρες θα περιστραφούν προς την αντίθετη κατεύθυνση. Το ίδιο ισχύει και για τους δεξιότερους πείρους και τον δεξιό κινητήρα εξόδου. Εάν και στις δύο ακίδες του ζεύγους δοθούν λογικά επίπεδα Υ HIGHΗΛΑ ή ΧΑΜΗΛΑ, οι κινητήρες θα σταματήσουν.

Αυτός ο διπλός-κατευθυντικός οδηγός κινητήρα βασίζεται στο πολύ δημοφιλές IC L298 Dual H-Bridge Motor Driver IC. Αυτή η ενότητα σας επιτρέπει να ελέγχετε εύκολα και ανεξάρτητα δύο κινητήρες και προς τις δύο κατευθύνσεις. Χρησιμοποιεί τα τυπικά λογικά σήματα για έλεγχο και μπορεί να οδηγήσει βηματικούς κινητήρες δύο φάσεων, βηματικούς κινητήρες τεσσάρων φάσεων και κινητήρες συνεχούς ρεύματος δύο φάσεων. Διαθέτει πυκνωτή φίλτρου και δίοδο ελεύθερης περιστροφής που προστατεύει τις συσκευές στο κύκλωμα από ζημιές από το αντίστροφο ρεύμα επαγωγικού φορτίου, αυξάνοντας την αξιοπιστία. Το L298 έχει τάση οδήγησης 5-35 V και λογικό επίπεδο 5 V.

Η λειτουργία του οδηγού κινητήρα περιγράφεται στον Πίνακα 2.

Το μπλοκ διάγραμμα που δείχνει τις συνδέσεις μεταξύ του αισθητήρα υπερήχων, του οδηγού κινητήρα και του τσιπ GPAK φαίνεται στο σχήμα 8.

Βήμα 8: Σχεδιασμός GreenPAK

Στη μήτρα 0, η είσοδος σκανδάλης για τον αισθητήρα δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 και τον ταλαντωτή. Η είσοδος από την ακίδα Echo του αισθητήρα υπερήχων διαβάζεται χρησιμοποιώντας το Pin3. Τρεις είσοδοι εφαρμόζονται σε 3-bit LUT0: μία από την Echo, μια άλλη από το Trigger και μια τρίτη που είναι η είσοδος Trigger με καθυστέρηση 30 us. Η έξοδος από αυτόν τον πίνακα αναζήτησης χρησιμοποιείται στο Matrix 1. Η έξοδος από τους αισθητήρες IR λαμβάνεται επίσης στο Matrix 0.

Στο Matrix 1, οι θύρες P1 και P6 είναι OR'd μαζί και συνδέονται με το Pin17, το οποίο είναι προσαρτημένο στο Pin1 του προγράμματος οδήγησης κινητήρα. Το Pin18 βρίσκεται πάντα σε λογική LOW και συνδέεται με το Pin2 του προγράμματος οδήγησης του κινητήρα. Ομοίως, οι θύρες P2 και P7 είναι OR'd μαζί και συνδέονται με το Pin20 του GreenPAK, το οποίο είναι προσαρτημένο στο P3 του κυκλώματος του οδηγού κινητήρα. Το Pin19 είναι συνδεδεμένο με το Pin4 του προγράμματος οδήγησης κινητήρα και είναι πάντα σε χαμηλή λογική.

Όταν η καρφίτσα Echo είναι Υ HIGHΗΛΗ, σημαίνει ότι ένα αντικείμενο βρίσκεται μπροστά από το ρομπότ. Στη συνέχεια, το ρομπότ ελέγχει για αριστερά και δεξιά εμπόδια από τους αισθητήρες IR. Εάν υπάρχει εμπόδιο και στη δεξιά πλευρά του ρομπότ, τότε στρίβει αριστερά και αν υπάρχει εμπόδιο στην αριστερή πλευρά, τότε στρίβει δεξιά. Με αυτόν τον τρόπο, το ρομπότ αποφεύγει τα εμπόδια και κινείται χωρίς σύγκρουση.

συμπέρασμα

Σε αυτό το Instructable, δημιουργήσαμε ένα απλό αυτόματο όχημα ανίχνευσης και αποφυγής εμποδίων χρησιμοποιώντας το GreenPAK SLG46620V ως κύριο στοιχείο ελέγχου. Με κάποιο επιπλέον κύκλωμα, αυτός ο σχεδιασμός θα μπορούσε να ενισχυθεί για την εκτέλεση άλλων εργασιών, όπως η εύρεση διαδρομής σε ένα συγκεκριμένο σημείο, ένας αλγόριθμος επίλυσης λαβυρίνθου, ένας αλγόριθμος που ακολουθεί κ.λπ.

Βήμα 9: Εικόνες υλικού