РОБОТ ЗАВОДА: 10 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Всем нравится иметь дома растения, но иногда в нашей занятой жизни мы не находим времени, чтобы хорошо о них позаботиться. Из этой проблемы мы пришли к идее: почему бы не создать робота, который позаботился бы об этом за нас?

Этот проект состоит из завода-робота, который заботится о себе сам. Растение интегрировано в робота и сможет поливать себя и находить свет, избегая препятствий. Это стало возможным благодаря использованию нескольких датчиков на роботе и установке. Это руководство направлено на то, чтобы провести вас через процесс создания робота для растений, чтобы вам не приходилось каждый день беспокоиться о своих растениях!

Этот проект является частью Bruface Mechatronics и реализован:

Мерседес Аревало Суарес

Даниэль Бланкес

Бодуэн Корнелис

Каат Лиманс

Маркос Мартинес Хименес

Базиль Тисс

(Группа 4)

Шаг 1. СПИСОК ПОКУПКИ

Вот список всех продуктов, которые вам понадобятся для создания этого робота. Для каждого подчеркнутого фрагмента имеется ссылка:

Напечатанные на 3D-принтере Motors support X1 (копия в 3D)

Колеса, напечатанные на 3D-принтере + соединение колеса с двигателем X2 (копия в 3D)

Батарейки AA Nimh X8

Рулон абразивной бумаги X1

Arduino Mega X1

Колесо для шариков X1

Держатель батареи X2

Макет для тестов X1

Макетная плата для пайки X1

Двигатели постоянного тока (с энкодером) X2

Петли X2

Гигрометр X1

Светозависимые резисторы X3

Джемперы мужчины-мужчины и мужчины-женщины

Моторный щит X1

Завод X1 (решать вам)

Горшок для растений X1

Подставка для растений X1 (3D-печать)

Пластиковая трубка X1

Резисторы разного номинала

Бумага для заметок X1

Винты

Датчики Sharp X3 (GP2Y0A21YK0F 10-80 см)

Переключатель X1

Водяной насос X1

Резервуар для воды (маленький Tupperware) X1

Провода

Обратите внимание, что этот выбор является результатом ограничений по времени и бюджету (3 месяца и 200 евро). Остальные варианты можно сделать по своему усмотрению.

ОБЪЯСНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВЫБОРОВ

Arduino Mega вместо Arduino Uno: во-первых, мы также должны объяснить причину, по которой мы вообще использовали Arduino. Arduino - это платформа для электронного прототипирования с открытым исходным кодом, которая позволяет пользователям создавать интерактивные электронные объекты. Он очень популярен как среди экспертов, так и среди новичков, что помогает найти много информации о нем в Интернете. Это может пригодиться при возникновении проблем с вашим проектом. Мы выбрали Arduino Mega вместо Uno, потому что у него больше контактов. Фактически, для того количества датчиков, которое мы используем, Uno не предлагал достаточно контактов. Mega также более мощный и может быть полезен, если мы добавим некоторые улучшения, такие как модуль WIFI.

Аккумуляторы Nimh: Первой идеей было использовать LiPo аккумуляторы, как во многих роботизированных проектах. LiPo имеют хорошую скорость разряда и легко перезаряжаются. Но вскоре мы поняли, что LiPo и зарядное устройство слишком дороги. Единственные другие батареи, подходящие для этого проекта, где Nimh. Действительно, они дешевые, перезаряжаемые и легкие. Для питания двигателя нам понадобится 8 из них для достижения напряжения питания от 9,6 В (разряженный) до 12 В (полностью заряженный).

Двигатели постоянного тока с энкодерами: учитывая главную цель этого привода - обеспечение вращательной энергии колес, мы выбрали два двигателя постоянного тока, а не сервомоторы, которые имеют ограничение по углу поворота и предназначены для более конкретных задач, где необходимо определить положение. точно. Наличие кодировщиков также добавляет возможность получения более высокой точности, если это необходимо. Обратите внимание, что мы, наконец, не использовали энкодеры, потому что мы поняли, что двигатели довольно похожи, и нам не нужен робот, чтобы точно следовать по прямой.

На рынке представлено множество двигателей постоянного тока, и мы искали тот, который соответствовал бы нашему бюджету и роботу. Чтобы удовлетворить этим ограничениям, два важных параметра помогли нам выбрать двигатель: крутящий момент, необходимый для перемещения робота, и скорость робота (для определения необходимых оборотов в минуту).

1) Рассчитайте обороты

Этому роботу не нужно будет преодолевать звуковой барьер. Чтобы следовать за светом или за кем-то в доме, кажется разумной скорость 1 м / с или 3,6 км / ч. Чтобы перевести это в число оборотов, мы используем диаметр колес: 9 см. Обороты задаются следующим образом: об / мин = (60 * скорость (м / с)) / (2 * пи * r) = (60 * 1) / (2 * пи * 0,045) = 212 об / мин.

2) Рассчитайте максимальный необходимый крутящий момент.

Поскольку этот робот будет развиваться в плоской среде, максимальный крутящий момент необходим для запуска робота в движение. Если учесть, что вес робота с установкой и каждым компонентом составляет около 3 кг, и используя силы трения между колесами и землей, мы можем легко определить крутящий момент. Учитывая, что коэффициент трения между землей и колесами равен 1: Силы трения (Fr) = коэффициент трения. * N (где N - вес робота), это дает нам Fr = 1 * 3 * 10 = 30 Н. Крутящий момент для каждого двигателя можно найти следующим образом: T = (Fr * r) / 2, где r - радиус колес так T = (30 * 0,045) / 2 = 0,675 Нм = 6,88 кг · см.

Мы выбрали следующие характеристики двигателя: при 6V 175 об / мин и 4 кг см при 12В 350 об / мин и 8 кг см. Зная, что он будет получать питание от 9,6 до 12 В, выполняя линейную интерполяцию, очевидно, что вышеуказанные ограничения будут соблюдены.

Световые датчики: мы выбрали светозависимые резисторы (LDR), потому что их сопротивление быстро меняется в зависимости от света, а напряжение на LDR можно легко измерить, подав постоянное напряжение на делитель напряжения, содержащий LDR.

Датчики резкости: они используются, чтобы избегать препятствий. Датчики расстояния Sharp недороги и просты в использовании, что делает их популярным выбором для обнаружения объектов и определения дальности. Как правило, они имеют более высокую частоту обновления и меньшую максимальную дальность обнаружения, чем гидролокаторы. На рынке доступно множество различных моделей с разными рабочими диапазонами. Поскольку они используются для обнаружения препятствий в этом проекте, мы выбрали тот, который имеет рабочий диапазон 10-80 см.

Водяной насос: Водяной насос - это простой легкий и не слишком мощный насос, совместимый с диапазоном напряжений двигателей, чтобы использовать одно и то же питание для обоих. Еще одно решение для подачи воды на растение заключалось в том, чтобы водная база была отделена от робота, но гораздо проще установить ее на роботе.

Гигрометр: гигрометр - это датчик влажности, который устанавливается в землю. Это необходимо, поскольку робот должен знать, когда горшок высох, чтобы направить в него воду.

Шаг 2: МЕХАНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

По сути, конструкция робота будет состоять из прямоугольной коробки с тремя колесами на нижней стороне и открывающейся крышкой на верхней стороне. Сверху разместят растение с резервуаром для воды. Горшок помещается в фиксатор горшка, который привинчивается к верхней планке робота. Резервуар для воды - это небольшая царапина Tupperware на верхней планке робота, а водяной насос также поцарапан на дне резервуара для воды, поэтому все можно легко удалить при наполнении Tupperware водой. В крышке резервуара сделано небольшое отверстие из-за трубки воды, идущей в горшок с растением, и питания насоса, идущего в ящик. Таким образом, в верхней планке коробки делается отверстие, и кабели гигрометра также проходят через это отверстие.

Во-первых, мы хотели, чтобы робот имел привлекательный дизайн, поэтому решили спрятать электронную часть внутри коробки, оставив только растение и воду. Это важно, поскольку растения являются частью украшения дома и не должны визуально влиять на пространство. Компоненты в коробке будут легко доступны через крышку на верхней стороне, а боковые крышки будут иметь необходимые отверстия, чтобы было легко, например, включить робота или подключить Arduino к ноутбуку, если мы захотим. чтобы снова его запрограммировать.

Компоненты в коробке: Arduino, контроллер двигателя, двигатели, LDR, держатели свай, макетная плата и петли. Arduino устанавливается на небольших столбах, чтобы не повредить его нижнюю часть, а контроллер мотора установлен поверх Arduino. Двигатели привинчиваются к креплениям двигателя, а затем крепления двигателей прикручиваются к нижней планке коробки. LDR припаяны на небольшом куске макета. К этой макетной плате приклеиваются мини-доски для прикручивания к боковым граням робота. Один LDR находится спереди, один слева и один справа, поэтому робот может знать направление с наибольшим количеством света. Держатели стопок нацарапаны на нижней стороне ящика, чтобы их можно было легко снять и заменить стопки или перезарядить. Затем макетная плата прикручивается к нижней планке с помощью небольших столбиков треугольной формы с отверстиями по форме угла макета для ее поддержки. Наконец, петли навинчиваются на заднюю и верхнюю стороны.

На передней панели будут непосредственно прикручены три острых предмета, чтобы как можно лучше обнаруживать препятствия и избегать их.

Хотя физический дизайн важен, мы не можем забыть о технической части, мы строим робота, и он должен быть практичным, и мы должны, насколько это возможно, оптимизировать пространство. Это причина выбрать прямоугольную форму, это был лучший способ расположить все компоненты.

Наконец, для передвижения устройство будет иметь три колеса: два стандартных моторизованных сзади и одно переднее колесико. Они отображаются в трехцикловом приводе, конфигурации, переднем рулевом управлении и заднем движении.

Шаг 3: ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ

Внешний вид робота можно изменить в зависимости от вашего интереса. Предоставляются технические чертежи, которые могут послужить хорошим основанием для вашего собственного проектирования.

Детали, вырезанные лазером:

Все шесть частей, составляющих корпус робота, были вырезаны лазером. В качестве материала для этого использовалась переработанная древесина. Эта коробка также может быть сделана из оргстекла, что немного дороже.

Детали, напечатанные на 3D-принтере:

Два стандартных колеса, которые расположены сзади робота, были напечатаны на 3D-принтере из PLA. Причина в том, что единственный способ найти колеса, отвечающие всем требованиям (подходящие для двигателей постоянного тока, размер, вес…), - это спроектировать их самостоятельно. Крепления двигателя также были напечатаны на 3D-принтере из соображений бюджета. Затем опора для горшка, стойки, поддерживающие Arduino, и углы, поддерживающие макетную плату, также были напечатаны на 3D-принтере, потому что нам нужна была определенная форма, подходящая для нашего робота.

Шаг 4: ЭЛЕКТРОНИКА

Датчики острых предметов: Датчики острых углов имеют три контакта. Два из них предназначены для питания (Vcc и Ground), а последний - измеряемого сигнала (Vo). Для питания у нас есть положительное напряжение, которое может составлять от 4,5 до 5,5 В, поэтому мы будем использовать 5 В от Arduino. Vo будет подключен к одному из аналоговых контактов Arduino.

Датчики света: датчики света нуждаются в небольшой цепи, чтобы работать. LDR включен последовательно с резистором 900 кОм для создания делителя напряжения. Земля подключена к выводу резистора, не подключенного к LDR, а 5 В Arduino подключены к выводу LDR, не подключенному к резистору. Вывод резистора и LDR, подключенные друг к другу, подключены к аналоговому выводу Arduino для измерения этого напряжения. Это напряжение будет варьироваться от 0 до 5 В, при этом 5 В соответствует полному освещению и близкое к нулю соответствует темноте. Затем вся схема будет припаяна на небольшой кусок макета, который сможет поместиться в боковые планки робота.

Батареи: Батареи состоят из 4-х стопок от 1,2 до 1,5 В каждая, то есть от 4,8 до 6 В. Последовательно соединив два держателя свай, мы получим от 9,6 до 12 В.

Водяной насос: Водяной насос имеет разъем (разъем питания) того же типа, что и питание Arduino. Первым делом необходимо разрезать соединение и оголить провод, чтобы иметь провод для заземления и провод для положительного напряжения. Поскольку мы хотим управлять насосом, мы включим его последовательно с управляемым током транзистором, используемым в качестве переключателя. Тогда диод будет включен параллельно насосу для предотвращения обратных токов. Нижняя ножка транзистора подключена к общей земле Arduino / батарей, средняя - к цифровому выводу Arduino с резистором 1 кОм последовательно для преобразования напряжения Arduino в ток, а верхняя ножка - к черному кабелю насос. Затем красный кабель помпы подключается к положительному напряжению аккумуляторов.

Двигатели и экран: экран необходимо припаять, он поставляется без пайки. Как только это будет сделано, он будет помещен на Arduino путем обрезания всех заголовков щита на контактах Arduino. Щит будет питаться от батарей, а затем он будет питать Arduino, если перемычка включена (оранжевые контакты на рисунке). Будьте осторожны, чтобы не поставить перемычку, когда Arduino питается от другого средства, кроме щита, так как в этом случае Arduino будет питать щит, и это может сжечь соединение.

Макетная плата: все компоненты теперь будут припаяны на макетной плате. Заземление одного держателя сваи, Arduino, контроллера мотора и всех датчиков будет припаяно в одном ряду (на нашей макетной плате ряды имеют одинаковый потенциал). Затем черный кабель второго держателя сваи будет припаян к тому же ряду, что и красный кабель первого держателя сваи, заземление которого уже припаяно. Затем будет припаян кабель к тому же ряду, что и красный кабель второго держателя сваи, соответствующий двум последовательно соединенным кабелям. Этот кабель будет подключен к одному концу коммутатора, а другой конец будет подключен к проводу, припаянному к макетной плате в свободном ряду. К этому ряду будет припаян красный кабель помпы и питание контроллера мотора (выключатель на рисунке не изображен). Затем 5V Arduino будут припаяны к другому ряду, и напряжение питания каждого датчика будет припаяно к тому же ряду. Попробуйте припаять перемычку к макетной плате и перемычку к компоненту, когда это возможно, чтобы вы могли легко их отсоединить, и сборка электрических компонентов упростилась.

Шаг 5: ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Схема программы:

Программа оставалась довольно простой с использованием понятия переменных состояния. Как вы можете видеть на блок-схеме, эти состояния также вызывают понятие приоритета. Робот проверит условия в следующем порядке:

1) В состоянии 2: Достаточно ли в растении воды с функцией «Уровень_влажности»? Если уровень влажности, измеренный гигрометром, ниже 500, насос будет работать до тех пор, пока уровень влажности не превысит 500. Когда в растении будет достаточно воды, робот перейдет в состояние 3.

2) В состоянии 3: Найдите направление с наибольшим количеством света. В этом состоянии у растения достаточно воды, и ему необходимо следовать в направлении с максимальным количеством света, избегая при этом препятствий. Функция light_direction указывает направление трех световых датчиков, которые получают больше всего света. Затем робот будет управлять двигателями, чтобы следовать в этом направлении с помощью функции follow_light. Если уровень освещенности выше определенного порога (достаточно_света), робот перестает следовать за светом, поскольку его достаточно в этом положении (stop_motors). Чтобы избежать препятствий ниже 15 см при следовании за светом, была реализована функция препятствия, возвращающая направление препятствия. Для того, чтобы правильно обходить препятствия, была реализована функция Hide_obstacle. Эта функция управляет двигателем, зная, где находится препятствие.

Шаг 6: СБОРКА

Сборка этого робота на самом деле довольно проста. Большинство компонентов привинчены к коробке, чтобы гарантировать, что они останутся на своих местах. Затем царапают держатель сваи, резервуар для воды и насос.

Шаг 7: ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Обычно при сборке робота дела идут не так гладко. Чтобы получить идеальный результат, необходимо провести множество тестов с последующими изменениями. Вот экспонат процесса завода-робота!

Первым шагом было смонтировать робота с двигателями, Arduino, контроллером двигателя и датчиками света на макетной плате. Робот движется в том направлении, где он измерил больше всего света. Был определен порог, чтобы остановить робота, если у него достаточно света. Поскольку робот скользил по полу, мы добавляли на колеса наждачную бумагу, чтобы имитировать шину.

Затем к конструкции были добавлены острые датчики, чтобы попытаться избежать препятствий. Первоначально два датчика были размещены на передней панели, но третий был добавлен посередине, потому что острые датчики имеют очень ограниченный угол обнаружения. Наконец, у нас есть два датчика на концах робота, обнаруживающего препятствия слева или справа, и один в середине, чтобы определять, есть ли впереди препятствие. Препятствия обнаруживаются, когда напряжение на острие превышает определенное значение, соответствующее расстоянию 15 см до робота. Когда препятствие находится сбоку, робот избегает его, а когда препятствие находится посередине, робот останавливается. Обратите внимание, что препятствия ниже острых предметов не обнаруживаются, поэтому препятствия должны иметь определенную высоту, чтобы их можно было избежать.

После этого были проверены помпа и гигрометр. Насос подает воду до тех пор, пока напряжение гигрометра ниже определенного значения, соответствующего сухой кастрюле. Это значение было измерено и определено экспериментально путем тестирования на сухих и влажных горшечных растениях.

Наконец все вместе было протестировано. Сначала растение проверяет, достаточно ли воды, а затем начинает следовать за светом, избегая препятствий.

Шаг 8: ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ ТЕСТ

Вот видео о том, как наконец работает робот. Надеюсь, тебе понравится!

Шаг 9: ЧТО МЫ ИЗУЧИЛИ С ЭТОМ ПРОЕКТОМ?

Хотя в целом отзывы об этом проекте отличные, потому что мы многому научились, мы были очень напряжены при его создании из-за сроков.

Возникшие проблемы

В нашем случае у нас было несколько проблем в процессе. Некоторые из них было легко решить, например, когда доставка компонентов задерживалась, мы просто искали магазины в городе, где можно было бы их купить. Другие требуют немного больше размышлений.

К сожалению, не все проблемы удалось решить. Наша первая идея заключалась в том, чтобы объединить характеристики домашних животных и растений, получив лучшее от каждого из них. Что касается растений, мы могли бы это сделать, с помощью этого робота мы сможем получить растение, которое украсит наши дома, и нам не придется о нем заботиться. Но для домашних животных мы не придумали способ имитировать компанию, которую они составляют. Мы думали о разных способах заставить его подписываться на людей, и начали внедрять один, но у нас не хватило времени, чтобы его закончить.

Дальнейшие улучшения

Хотя нам бы очень хотелось получить все, что мы хотели, обучение в этом проекте было потрясающим. Может быть, если у нас будет больше времени, мы сможем получить еще лучшего робота. Здесь мы предлагаем несколько идей по улучшению нашего робота, которые, возможно, захотят попробовать некоторые из вас:

- Добавление светодиодов разных цветов (красный, зеленый,…), которые сообщают пользователю, когда следует зарядить робота. Измерение батареи может быть выполнено с делителем напряжения, имеющим максимальное напряжение 5 В, когда батарея полностью заряжена, чтобы измерить это напряжение с помощью Arduino. Затем включается соответствующий светодиод.

- Добавление датчика воды, который сообщает пользователю, когда следует наполнить резервуар для воды (датчик высоты воды).

- Создание интерфейса, чтобы робот мог отправлять сообщения пользователю.

И, очевидно, мы не можем забыть о цели - заставить людей подписываться на них. Домашние животные - одна из вещей, которые люди любят больше всего, и было бы замечательно, если бы кто-нибудь смог добиться, чтобы робот имитировал это поведение. Чтобы облегчить это, мы собираемся предоставить все, что у нас есть.

Шаг 10: как заставить робота следовать за людьми?

Мы придумали, что лучший способ сделать это - использовать три ультразвуковых датчика, один излучатель и два приемника.

Передатчик

Для передатчика мы хотели бы иметь рабочий цикл 50%. Для этого необходимо использовать таймер 555, мы использовали NE555N. На картинке видно, как должна быть построена схема. Но вам придется, например, добавить дополнительный конденсатор на выходе 3, 1 мкФ. Резисторы и конденсаторы рассчитываются по следующим формулам: (рисунки 1 и 2)

Поскольку желателен рабочий цикл 50%, t1 и t2 будут равны друг другу. Таким образом, с передатчиком 40 кГц t1 и t2 будут равны 1,25 * 10-5 с. Когда вы берете C1 = C2 = 1 нФ, можно вычислить R1 и R2. Мы взяли R1 = 15 кОм и R2 = 6,8 кОм, убедитесь, что R1> 2R2!

Когда мы проверили это в цепи на осциллографе, мы получили следующий сигнал. Масштаб составляет 5 мкс / дел, поэтому в действительности частота будет около 43 кГц. (Рисунок 3)

Получатель

Входной сигнал приемника будет слишком низким для точной обработки Arduino, поэтому входной сигнал необходимо усилить. Это будет сделано путем изготовления инвертирующего усилителя.

В качестве операционного усилителя мы использовали LM318N, на который мы запитали 0 В и 5 В от Arduino. Для этого нам пришлось поднять напряжение вокруг колеблющегося сигнала. В этом случае будет логично поднять его до 2,5 В. Поскольку напряжение питания несимметрично, мы также должны поставить конденсатор перед резистором. Таким образом, мы также сделали фильтр верхних частот. При используемых нами значениях частота должна быть выше 23 кГц. Когда мы использовали усиление A = 56, сигнал перешел бы в насыщение, что нехорошо, поэтому вместо этого мы использовали A = 18. Этого все равно будет достаточно. (Рисунок 4)

Теперь, когда у нас есть усиленная синусоида, нам нужно постоянное значение, чтобы Arduino мог его измерить. Один из способов сделать это - создать схему пикового детектора. Таким образом, мы можем увидеть, находится ли передатчик дальше от приемника или под другим углом, чем раньше, имея постоянный сигнал, который пропорционален интенсивности принятого сигнала. Поскольку нам нужен прецизионный пиковый детектор, мы вставляем диод 1N4148 в повторитель напряжения. Благодаря этому у нас нет потерь в диодах, и мы создали идеальный диод. Для операционного усилителя мы использовали тот же, что и в первой части схемы, и с тем же блоком питания, 0 В и 5 В.

Параллельный конденсатор должен иметь высокое значение, поэтому он будет разряжаться очень медленно, и мы по-прежнему видим такое же пиковое значение, что и реальное значение. Резистор тоже будет размещен параллельно и не будет слишком низким, потому что иначе разряд будет больше. В этом случае достаточно 1,5 мкФ и 56 кОм. (Рисунок 5)

На картинке можно увидеть полную схему. Где выход, который будет идти в Arduino. А сигнал переменного тока 40 кГц будет приемником, а другой его конец будет подключен к земле. (Рисунок 6)

Как мы уже говорили ранее, мы не смогли интегрировать датчики в робота. Но мы предоставляем видео тестов, чтобы показать, что схема работает. На первом видео видно усиление (после первого операционного усилителя). На осциллографе уже есть смещение 2,5 В, поэтому сигнал находится посередине, амплитуда изменяется, когда датчики меняют направление. Когда два датчика обращены друг к другу, амплитуда пазухи будет выше, чем когда датчики имеют больший угол или расстояние между ними. На втором видео (выход схемы) виден выпрямленный сигнал. Опять же, общее напряжение будет выше, когда датчики обращены друг к другу, чем когда они не расположены. Сигнал не совсем прямой из-за разряда конденсатора и из-за вольт / дел. Мы смогли измерить постоянное уменьшение сигнала, когда угол или расстояние между датчиками больше не было оптимальным.

Идея заключалась в том, чтобы у робота был приемник, а у пользователя - передатчик. Робот мог сделать поворот сам, чтобы определить, в каком направлении интенсивность была наибольшей, и мог пойти в этом направлении. Лучшим способом было бы иметь два приемника и следовать за приемником, который обнаруживает самое высокое напряжение, а еще лучший способ - поставить три приемника и разместить их, как LDR, чтобы знать, в каких направлениях излучается сигнал пользователя (прямо, влево или вправо).