DIY falkövető robot: 9 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:40

Ebben az utasításban elmagyarázzuk, hogyan tervezzünk akadályérzékelő és -elkerülő rendszert GreenPAK ™ segítségével néhány külső ultrahangos és infravörös (IR) érzékelővel együtt. Ez a kialakítás bemutat néhány témát, amelyek szükségesek az autonóm és mesterségesen intelligens robotrendszerekhez.

Az alábbiakban leírtuk azokat a lépéseket, amelyek szükségesek annak megértéséhez, hogy a megoldás hogyan lett programozva egy falkövető robot létrehozására. Ha azonban csak a programozás eredményét szeretné elérni, töltse le a GreenPAK szoftvert a már elkészült GreenPAK tervezési fájl megtekintéséhez. Csatlakoztassa a GreenPAK fejlesztőkészletet a számítógépéhez, és nyomja meg a programot a falkövető robot létrehozásához.

1. lépés: Problémajelentés

A mesterséges intelligencia iránti érdeklődés nemrég újult meg, és ennek nagy része a teljesen autonóm és intelligens gépek felé irányul. Az ilyen robotok minimalizálhatják az emberi felelősséget, és kiterjeszthetik az automatizálást olyan területekre, mint a közszolgálatok és a védelem. Az AI kutatói önálló robotjárműveken keresztül próbálják automatizálni az olyan szolgáltatásokat, mint a tűzoltás, az orvosi ellátás, a katasztrófavédelem és az életmentő feladatok. Az egyik kihívás, amelyet ezeknek a járműveknek le kell küzdeniük, hogyan lehet sikeresen észlelni és elkerülni az olyan akadályokat, mint a törmelék, tűz, buktatók stb.

2. lépés: A megvalósítás részletei

Ebben az utasításban egy ultrahangos érzékelőt, pár infravörös akadályérzékelőt, egy motorvezérlő áramkört (L298N), négy egyenáramú motort, kereket, egy négykerék-meghajtású autóvázat és egy GreenPAK SLG46620V chipet fogunk használni.

A GreenPAK vezérlő digitális kimeneti tüskéjét használják az ultrahangos érzékelő (más néven szonár) kiváltására, és egy digitális bemeneti tüskével gyűjtik az eredő visszhangot az előttünk álló akadályokból elemzés céljából. Az IR akadályérzékelő érzékelő kimenete is megfigyelhető. Feltételek alkalmazása után, ha egy akadály túl közel van, a motorokat (mind a 4 kerékhez csatlakoztatva) beállítják az ütközés elkerülése érdekében.

3. lépés: Magyarázat

Az önálló akadálykerülő robotnak képesnek kell lennie az akadályok észlelésére és az ütközések elkerülésére. Egy ilyen robot tervezéséhez különböző érzékelők integrálása szükséges, például ütésérzékelők, infravörös érzékelők, ultrahangos érzékelők, stb. Ha ezeket az érzékelőket a robotra szereli, információkat kaphat a környező területről. Az ultrahangos érzékelő alkalmas lassú mozgású autonóm robot akadályérzékelésére, mivel alacsony költséggel és viszonylag magas hatótávolsággal rendelkezik.

Az ultrahangos érzékelő észleli a tárgyakat úgy, hogy rövid ultrahangos sorozatot bocsát ki, majd hallgatja a visszhangot. A gazda mikrokontroller vezérlése alatt az érzékelő rövid, 40 kHz -es impulzust bocsát ki. Ez az impulzus addig halad a levegőben, amíg el nem ér egy tárgyat, majd visszaverődik az érzékelőre. Az érzékelő kimeneti jelet biztosít a gazda számára, amely a visszhang észlelésekor megszűnik. Ily módon a visszaadott impulzus szélességét használják az objektumtól való távolság kiszámításához.

Ez az akadálykerülő robotjármű ultrahangos érzékelőt használ az útjában lévő tárgyak észlelésére. A motorok egy motorvezérlő IC -n keresztül kapcsolódnak a GreenPAK -hoz. Az ultrahangos érzékelő a robot elejére van rögzítve, a két infravörös akadályérzékelő pedig a robot bal és jobb oldalára van rögzítve az oldalsó akadályok észlelésére.

Amint a robot a kívánt úton halad, az ultrahangos érzékelő folyamatosan továbbítja az ultrahangos hullámokat. Amikor egy akadály áll a robot előtt, az ultrahangos hullámok visszaverődnek az akadályról, és ezt az információt továbbítják a GreenPAK -nak. Ezzel párhuzamosan az infravörös érzékelők IR hullámokat bocsátanak ki és fogadnak. Az ultrahangos és infravörös érzékelők bemeneteinek értelmezése után a GreenPAK vezérli a négy kerék mindegyikének motorjait.

4. lépés: Az algoritmus leírása

Indításkor a négy motor egyidejűleg bekapcsol, és a robot előrehalad. Ezután az ultrahangos érzékelő rendszeres időközönként impulzusokat küld a robot elejéről. Ha akadály van, a hangimpulzusok visszaverődnek, és az érzékelő észleli őket. Az impulzusok visszaverődése az akadály fizikai állapotától függ: ha szabálytalan alakú, akkor a visszavert impulzusok kevesebbek lesznek; ha egyenletes, akkor az átvitt impulzusok nagy része visszaverődik. A visszaverődés az akadály irányától is függ. Ha kissé megdől, vagy párhuzamosan helyezkedik el az érzékelővel, akkor a legtöbb hanghullám visszaverődés nélkül halad át.

Ha akadályt észlel a robot előtt, akkor az infravörös érzékelők oldalsó kimenetei figyelhetők meg. Ha akadályt észlel a jobb oldalon, akkor a robot bal oldali abroncsai letiltásra kerülnek, ami balra fordul, és fordítva. Ha nem észlel akadályt, az algoritmus megismétlődik. A folyamatábra a 2. ábrán látható.

5. lépés: Ultrahangos érzékelő HC-SR04

Az ultrahangos érzékelő olyan eszköz, amely hanghullámok segítségével képes mérni a tárgytól való távolságot. A távolságot úgy méri, hogy egy adott frekvencián hanghullámot bocsát ki, és hallgatja, hogy az adott hanghullám visszapattanjon. A generált hanghullám és a visszapattanó hanghullám között eltelt idő rögzítésével kiszámítható a szonárérzékelő és a tárgy közötti távolság. A hang körülbelül 344 m/s (1129 láb/s) sebességgel terjed a levegőben, így a Formula 1 segítségével kiszámíthatja az objektumtól való távolságot.

A HC-SR04 ultrahangos érzékelő négy érintkezőből áll: Vdd, GND, Trigger és Echo. Amikor a vezérlő impulzusát a Trigger csapra alkalmazzák, az érzékelő ultrahanghullámot bocsát ki a „hangszóróból”. A visszavert hullámokat a „vevő” észleli, és az Echo tűn keresztül visszaküldi a vezérlőnek. Minél nagyobb a távolság az érzékelő és az akadály között, annál hosszabb lesz az impulzus az Echo csapnál. Az impulzus addig marad bekapcsolva, amíg a szonárimpulzus az érzékelőtől elmozdul és visszajön, kettővel osztva. Amikor a szonár aktiválódik, egy belső időzítő elindul, és addig folytatódik, amíg a visszaverődő hullámot észleli. Ezt az időt ezután kettővel osztják, mert a hanghullám az akadály eléréséhez szükséges idő fele volt az időzítő bekapcsolt idejének.

Az ultrahangos érzékelő működését a 4. ábra szemlélteti.

Az ultrahangos impulzus generálásához a triggert 10 μs -ig HIGH állapotba kell állítani. Ez egy 8 ciklusos hangkitörést bocsát ki, amely tükröz minden akadályt a készülék előtt, és az érzékelő fogadja. Az Echo pin kimeneti az időt (mikroszekundumokban), ameddig a hanghullám áthaladt.

6. lépés: Infravörös akadályérzékelő érzékelő modul

Az ultrahangos érzékelőhöz hasonlóan az infravörös (IR) akadályérzékelés alapkoncepciója az, hogy IR jelet továbbítanak (sugárzás formájában) és megfigyelik annak visszaverődését. Az infravörös érzékelő modul a 6. ábrán látható.

Jellemzők

• Az áramköri lapon akadályjelző lámpa található
• Digitális kimeneti jel
• Érzékelési távolság: 2 ~ 30 cm
• Érzékelési szög: 35 °
• Összehasonlító chip: LM393
• Állítható érzékelési távolságtartomány potenciométerrel:

○ Óramutató járásával megegyező irányban: Növelje az észlelési távolságot

○ Az óramutató járásával ellentétes irányba: Csökkentse az észlelési távolságot

Specifikációk

• Üzemi feszültség: 3-5 V DC
• Kimeneti típus: Digitális kapcsoló kimenet (0 és 1)
• 3 mm -es csavarlyukak a könnyű szereléshez
• Tábla mérete: 3,2 x 1,4 cm

Ellenőrző visszajelző leírása az 1. táblázatban található.

7. lépés: L298N motorvezérlő áramkör

A motorvezérlő áramkör vagy a H-híd a DC motorok fordulatszámának és irányának szabályozására szolgál. Két bemenettel rendelkezik, amelyeket külön egyenáramú áramforráshoz kell csatlakoztatni (a motorok nagy áramot húznak, és nem közvetlenül a vezérlőből táplálhatók), két kimeneti sorozat minden motorhoz (pozitív és negatív), két engedélyező csap mindegyikhez kimeneti készlet és két csapszeg minden motor kimenetének irányításához (két csap minden motorhoz). Ha a bal szélső két csap HIGH logikai szintet kap az egyik csaphoz és LOW a másikhoz, akkor a bal kimenethez csatlakoztatott motor az egyik irányba forog, és ha a logika sorrendje megfordul (LOW és HIGH), akkor a motorok forognak az ellenkező irányba. Ugyanez vonatkozik a jobb szélső csapokra és a jobb oldali kimeneti motorra is. Ha a pár mindkét csapjának HIGH vagy LOW logikai szintje van, a motorok leállnak.

Ez a kettős, kétirányú motorhajtó a nagyon népszerű L298 Dual H-Bridge Motor Driver IC-n alapul. Ez a modul lehetővé teszi két motor egyszerű és független vezérlését mindkét irányban. A szabványos logikai jeleket használja a vezérléshez, és hajthat kétfázisú léptetőmotorokat, négyfázisú léptetőmotorokat és kétfázisú egyenáramú motorokat. Szűrőkondenzátorral és szabadonfutó diódával rendelkezik, amely megvédi az áramkörben lévő eszközöket az induktív terhelés fordított áramának károsodásától, növelve a megbízhatóságot. Az L298 meghajtó feszültsége 5-35 V, logikai szintje pedig 5 V.

A motorhajtó funkcióját a 2. táblázat ismerteti.

Az ultrahangos érzékelő, a motorvezérlő és a GPAK chip közötti kapcsolatokat bemutató tömbvázlat a 8. ábrán látható.

8. lépés: GreenPAK tervezés

A 0 mátrixban az érzékelő trigger bemenetét a CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 és az oszcillátor segítségével állították elő. Az ultrahangos érzékelő Echo csapjának bemenete a Pin3 segítségével olvasható le. Három bemenet kerül alkalmazásra a 3 bites LUT0-nál: az egyik az Echo-tól, a másik a Trigger-től, a harmadik pedig a Trigger-bemenet 30-as késleltetése. A keresési táblázat kimenete az 1. mátrixban használatos. Az infravörös érzékelők kimenete szintén a 0. mátrixban kerül felvételre.

Az 1. mátrixban a P1 és P6 portok VAGY együtt vannak, és a 17 -es tűhöz vannak csatlakoztatva, amely a motor meghajtójának Pin1 -hez van csatlakoztatva. A Pin18 mindig LOW logikájú, és a motorvezérlő Pin2 -hez van csatlakoztatva. Hasonlóképpen, a P2 és P7 portok VAGY együtt vannak, és a GreenPAK Pin20 csatlakozójához vannak csatlakoztatva, amely a motorvezérlő áramkör P3 -hoz van csatlakoztatva. A Pin19 a motorvezérlő 4 -es csatlakozójához van csatlakoztatva, és mindig LOW logikájú.

Ha az Echo csap HIGH, ez azt jelenti, hogy egy tárgy van a robot előtt. A robot ezután ellenőrzi az infravörös érzékelők bal és jobb oldali akadályait. Ha a robot jobb oldalán is van akadály, akkor balra fordul, ha pedig a bal oldalon, akkor jobbra. Ily módon a robot elkerüli az akadályokat, és ütközés nélkül mozog.

Következtetés

Ebben az utasításban egy egyszerű, automatikus akadályérzékelő és -kerülő járművet hoztunk létre, amely a GreenPAK SLG46620V -t használja fő vezérlőelemként. Néhány extra áramkörrel ez a kialakítás továbbfejleszthető más feladatok elvégzésére, mint például egy adott ponthoz vezető út megtalálása, labirintus -megoldó algoritmus, sorkövető algoritmus stb.

9. lépés: Hardverképek