Робот слежения за стеной своими руками: 9 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

В этом руководстве мы объясним, как разработать систему обнаружения и уклонения от препятствий с использованием GreenPAK ™ вместе с несколькими внешними ультразвуковыми и инфракрасными (ИК) датчиками. В этом проекте будут представлены некоторые темы, необходимые для автономных робототехнических систем и систем с искусственным интеллектом.

Ниже мы описали шаги, необходимые для понимания того, как решение было запрограммировано для создания робота, следующего за стеной. Однако, если вы просто хотите получить результат программирования, загрузите программное обеспечение GreenPAK, чтобы просмотреть уже заполненный файл дизайна GreenPAK. Подключите GreenPAK Development Kit к компьютеру и запустите программу, чтобы создать робота, следующего за стеной.

Шаг 1. Постановка проблемы

В последнее время возобновился интерес к искусственному интеллекту, и большая часть этого интереса направлена на полностью автономные и интеллектуальные машины. Такие роботы могут минимизировать человеческую ответственность и распространить автоматизацию на такие области, как государственные службы и оборона. Исследователи искусственного интеллекта пытаются автоматизировать такие услуги, как пожаротушение, медицинское обслуживание, управление стихийными бедствиями и спасательные работы, с помощью автономных роботизированных транспортных средств. Одна из проблем, которую необходимо преодолеть этим транспортным средствам, заключается в том, как успешно обнаруживать и избегать препятствий, таких как щебень, огонь, ямы и т. Д.

Шаг 2: подробности реализации

В этом руководстве мы будем использовать ультразвуковой датчик, пару ИК-датчиков обнаружения препятствий, схему привода двигателя (L298N), четыре двигателя постоянного тока, колеса, каркас полноприводного автомобиля и микросхему GreenPAK SLG46620V.

Цифровой выходной контакт контроллера GreenPAK используется для запуска ультразвукового датчика (он же гидролокатор), а цифровой входной контакт используется для сбора результирующего эхо-сигнала от препятствий впереди для анализа. Также наблюдается выход ИК-датчика обнаружения препятствий. После применения набора условий, если препятствие находится слишком близко, двигатели (подключенные к каждому из 4 колес) регулируются, чтобы избежать столкновения.

Шаг 3: объяснение

Автономный робот для предотвращения препятствий должен быть способен как обнаруживать препятствия, так и избегать столкновений. Конструкция такого робота требует интеграции различных датчиков, таких как датчики удара, инфракрасные датчики, ультразвуковые датчики и т. Д. Установив эти датчики на роботе, он может получать информацию об окружающей местности. Ультразвуковой датчик подходит для обнаружения препятствий медленному автономному роботу, так как он имеет невысокую стоимость и относительно большую дальность действия.

Ультразвуковой датчик обнаруживает объекты, испуская короткий ультразвуковой сигнал, а затем прислушиваясь к эхо. Под управлением главного микроконтроллера датчик излучает короткий импульс 40 кГц. Этот импульс распространяется по воздуху, пока не ударяется о предмет, а затем отражается обратно к датчику. Датчик выдает выходной сигнал на хост, который прекращается при обнаружении эха. Таким образом, ширина возвращенного импульса используется для расчета расстояния до объекта.

Этот роботизированный автомобиль для предотвращения препятствий использует ультразвуковой датчик для обнаружения объектов на своем пути. Двигатели подключены к GreenPAK через микросхему драйвера двигателя. Ультразвуковой датчик прикреплен к передней части робота, а два инфракрасных датчика обнаружения препятствий прикреплены к левой и правой сторонам робота для обнаружения боковых препятствий.

Когда робот движется по желаемому пути, ультразвуковой датчик непрерывно передает ультразвуковые волны. Когда перед роботом появляется препятствие, ультразвуковые волны отражаются от препятствия, и эта информация передается в GreenPAK. Одновременно ИК-датчики излучают и принимают ИК-волны. После интерпретации входных сигналов ультразвуковых и инфракрасных датчиков GreenPAK управляет двигателями каждого из четырех колес.

Шаг 4: Описание алгоритма

При запуске четыре двигателя включаются одновременно, заставляя робота двигаться вперед. Затем ультразвуковой датчик отправляет импульсы от передней части робота через равные промежутки времени. При наличии препятствия звуковые импульсы отражаются и обнаруживаются датчиком. Отражение импульсов зависит от физического состояния препятствия: если оно имеет неправильную форму, то отраженных импульсов будет меньше; если он однородный, то большая часть передаваемых импульсов будет отражена. Отражение также зависит от направления препятствия. Если его немного наклонить или разместить параллельно датчику, большая часть звуковых волн будет проходить без отражения.

При обнаружении препятствия перед роботом наблюдаются боковые выходы ИК-датчиков. Если препятствие обнаруживается с правой стороны, левые колеса робота отключаются, заставляя его поворачиваться влево и наоборот. Если препятствие не обнаружено, алгоритм повторяется. Блок-схема показана на рисунке 2.

Шаг 5: Ультразвуковой датчик HC-SR04

Ультразвуковой датчик - это устройство, которое может измерять расстояние до объекта с помощью звуковых волн. Он измеряет расстояние, посылая звуковую волну определенной частоты и прислушиваясь к отражению этой звуковой волны. Регистрируя время, прошедшее между генерируемой звуковой волной и отраженной звуковой волной, можно рассчитать расстояние между датчиком сонара и объектом. Звук распространяется по воздуху со скоростью около 344 м / с (1129 футов / с), поэтому вы можете рассчитать расстояние до объекта, используя Формулу 1.

Ультразвуковой датчик HC-SR04 состоит из четырех контактов: Vdd, GND, Trigger и Echo. Каждый раз, когда импульс от контроллера прикладывается к контакту триггера, датчик излучает ультразвуковую волну из «динамика». Отраженные волны обнаруживаются «приемником» и передаются обратно в контроллер через вывод Echo. Чем больше расстояние между датчиком и препятствием, тем длиннее будет импульс на выводе Echo. Импульс остается включенным в течение времени, которое требуется импульсу сонара, чтобы пройти от датчика и вернуться обратно, разделенное на два. При срабатывании эхолота запускается внутренний таймер, который работает до тех пор, пока не будет обнаружена отраженная волна. Затем это время делится на два, потому что фактическое время, необходимое звуковой волне, чтобы достичь препятствия, было вдвое меньше, чем был включен таймер.

Работа ультразвукового датчика показана на рисунке 4.

Чтобы сгенерировать ультразвуковой импульс, вам необходимо установить триггер в ВЫСОКОЕ состояние на 10 мкс. Это отправит 8-периодный звуковой импульс, который отразится от любого препятствия перед устройством и будет принят датчиком. Вывод Echo будет выводить время (в микросекундах), которое прошла звуковая волна.

Шаг 6: Модуль инфракрасного датчика обнаружения препятствий

Как и в случае с ультразвуковым датчиком, основная концепция инфракрасного (ИК) обнаружения препятствий заключается в передаче ИК-сигнала (в виде излучения) и наблюдении за его отражением. Модуль ИК-датчика показан на рисунке 6.

Функции

• На печатной плате есть индикатор препятствия
• Цифровой выходной сигнал
• Расстояние обнаружения: 2 ~ 30 см
• Угол обнаружения: 35 °
• Чип компаратора: LM393
• Регулируемый диапазон расстояния обнаружения с помощью потенциометра:

○ По часовой стрелке: увеличить расстояние обнаружения

○ Против часовой стрелки: уменьшить расстояние обнаружения

Характеристики

• Рабочее напряжение: 3-5 В постоянного тока
• Тип выхода: цифровой переключающий выход (0 и 1)
• Отверстия под винты 3 мм для легкого монтажа
• Размер доски: 3,2 х 1,4 см

Описание индикатора управления приведено в таблице 1.

Шаг 7: Схема драйвера двигателя L298N

Схема драйвера двигателя, или H-мост, используется для управления скоростью и направлением двигателей постоянного тока. Он имеет два входа, которые должны быть подключены к отдельному источнику питания постоянного тока (двигатели потребляют большой ток и не могут питаться напрямую от контроллера), два набора выходов для каждого двигателя (положительный и отрицательный), два разрешающих контакта для каждого набор выходов и два набора контактов для управления направлением выхода каждого двигателя (по два контакта на каждый двигатель). Если двум крайним левым контактам присвоены логические уровни ВЫСОКИЙ для одного контакта и НИЗКИЙ - для другого, двигатель, подключенный к левому выходу, будет вращаться в одном направлении, а если последовательность логики обратная (НИЗКИЙ и ВЫСОКИЙ), двигатели будут вращаться. в обратном направлении. То же самое касается крайних правых штифтов и правого выходного двигателя. Если обоим контактам в паре будут заданы логические уровни ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ, двигатели остановятся.

Этот двойной двунаправленный драйвер двигателя основан на очень популярной ИС L298 Dual H-Bridge Motor Driver IC. Этот модуль позволяет легко и независимо управлять двумя двигателями в обоих направлениях. Он использует стандартные логические сигналы для управления и может управлять двухфазными шаговыми двигателями, четырехфазными шаговыми двигателями и двухфазными двигателями постоянного тока. Он имеет фильтрующий конденсатор и диод свободного хода, который защищает устройства в цепи от повреждения обратным током индуктивной нагрузки, повышая надежность. L298 имеет напряжение драйвера 5-35 В и логический уровень 5 В.

Функция привода двигателя описана в таблице 2.

Блок-схема, показывающая соединения между ультразвуковым датчиком, драйвером двигателя и микросхемой GPAK, показана на рисунке 8.

Шаг 8: Дизайн GreenPAK

В Матрице 0 триггерный вход для датчика был сгенерирован с использованием CNT0 / DLY0, CNT5 / DLY5, INV0 и осциллятора. Вход от вывода эхо ультразвукового датчика считывается с помощью вывода 3. Три входа применяются в 3-битном LUT0: один от Echo, другой от триггера, а третий - триггерный вход с задержкой на 30 мкс. Выходные данные этой справочной таблицы используются в Матрице 1. Выходные данные ИК-датчиков также принимаются в Матрице 0.

В Матрице 1 порты P1 и P6 объединены по схеме ИЛИ и подключены к контакту 17, который подключен к контакту 1 драйвера двигателя. Контакт 18 всегда имеет логический НИЗКИЙ уровень и подключен к контакту 2 драйвера двигателя. Точно так же порты P2 и P7 объединены по схеме ИЛИ и подключены к контакту 20 GreenPAK, который подключен к P3 схемы драйвера двигателя. Контакт 19 подключен к контакту 4 драйвера двигателя и всегда находится на НИЗКОМ логическом уровне.

Когда значок эхо-сигнала ВЫСОКИЙ, это означает, что объект находится перед роботом. Затем робот проверяет наличие левых и правых препятствий с помощью инфракрасных датчиков. Если препятствие также присутствует с правой стороны робота, он поворачивает налево, а если препятствие присутствует с левой стороны, то он поворачивает направо. Таким образом, робот избегает препятствий и движется без столкновений.

Заключение

В этом руководстве мы создали простой автомобиль с автоматическим обнаружением и уклонением от препятствий, используя GreenPAK SLG46620V в качестве основного управляющего элемента. С помощью некоторых дополнительных схем эта конструкция может быть улучшена для выполнения других задач, таких как поиск пути к определенной точке, алгоритм решения лабиринта, алгоритм следования линии и т. Д.

Шаг 9: Изображения оборудования