ربات دیواری DIY: 9 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:53

در این دستورالعمل ، نحوه طراحی سیستم تشخیص و اجتناب از موانع با استفاده از GreenPAK with به همراه چند سنسور اولتراسونیک خارجی و مادون قرمز (IR) را توضیح خواهیم داد. این طرح برخی از مباحث مورد نیاز برای سیستم های رباتیک مستقل و مصنوعی را معرفی می کند.

در زیر مراحل مورد نیاز برای درک نحوه برنامه ریزی راه حل برای ایجاد دیوار زیر ربات را شرح دادیم. با این حال ، اگر فقط می خواهید نتیجه برنامه نویسی را دریافت کنید ، نرم افزار GreenPAK را بارگیری کنید تا فایل طراحی GreenPAK را که قبلاً تکمیل شده است مشاهده کنید. کیت توسعه GreenPAK را به رایانه خود وصل کنید و برنامه را برای ایجاد ربات دیوار زیر ضربه بزنید.

مرحله 1: بیان مشکل

اخیراً علاقه مندی مجدد به هوش مصنوعی افزایش یافته است و بیشتر این علاقه به ماشینهای کاملاً مستقل و هوشمند است. چنین روباتهایی می توانند مسئولیت انسانی را به حداقل برسانند و اتوماسیون را در زمینه هایی مانند خدمات ملکی و دفاع گسترش دهند. محققان هوش مصنوعی تلاش می کنند خدماتی مانند آتش نشانی ، مراقبت های پزشکی ، مدیریت بلایا و وظایف نجات دهنده را از طریق وسایل نقلیه رباتیک خودران به صورت خودکار انجام دهند. یکی از چالش هایی که این وسایل نقلیه باید بر آن غلبه کنند این است که چگونه با موفقیت موانع مانند آوار ، آتش سوزی ، دام و غیره را شناسایی کرده و از آنها جلوگیری کنید.

مرحله 2: جزئیات پیاده سازی

در این دستورالعمل ، ما از یک سنسور اولتراسونیک ، یک جفت سنسور تشخیص مانع IR ، یک مدار راننده موتور (L298N) ، چهار موتور DC ، چرخ ها ، یک اسکلت ماشین 4 چرخ محرک و یک تراشه GreenPAK SLG46620V استفاده خواهیم کرد.

یک پین خروجی دیجیتالی از کنترلر GreenPAK برای فعال کردن سنسور اولتراسونیک (معروف به سونار) و یک پین ورودی دیجیتال برای جمع آوری پژواک حاصل از موانع پیش رو برای تجزیه و تحلیل استفاده می شود. خروجی سنسور تشخیص مانع IR نیز مشاهده می شود. پس از اعمال مجموعه ای از شرایط ، اگر مانعی بسیار نزدیک باشد ، موتورها (به هر 4 چرخ متصل شده اند) تنظیم می شوند تا از برخورد جلوگیری شود.

مرحله 3: توضیح

ربات اجتناب از موانع مستقل باید قادر به تشخیص موانع و اجتناب از برخورد باشد. طراحی چنین رباتی مستلزم ادغام سنسورهای مختلف مانند حسگر ضربه ، سنسور مادون قرمز ، سنسور اولتراسونیک و … است که با نصب این سنسورها بر روی ربات ، می تواند اطلاعاتی در مورد محیط اطراف به دست آورد. سنسور اولتراسونیک برای تشخیص موانع برای یک ربات مستقل که حرکت کندی دارد مناسب است ، زیرا هزینه کم و برد نسبتاً بالایی دارد.

سنسور اولتراسونیک با انتشار یک انفجار کوتاه اولتراسونیک و سپس گوش دادن به اکو ، اجسام را تشخیص می دهد. تحت کنترل میکروکنترلر میزبان ، سنسور یک پالس کوتاه 40 کیلوهرتز را منتشر می کند. این پالس در هوا حرکت می کند تا به جسمی برخورد کند و سپس به سنسور منعکس می شود. سنسور یک سیگنال خروجی به میزبان می دهد که با تشخیص اکو پایان می یابد. به این ترتیب از عرض نبض برگشتی برای محاسبه فاصله تا جسم استفاده می شود.

این وسیله نقلیه رباتیک برای جلوگیری از موانع از سنسور اولتراسونیک برای تشخیص اجسام در مسیر خود استفاده می کند. موتورها از طریق IC راننده موتور به GreenPAK متصل می شوند. سنسور اولتراسونیک به جلوی ربات متصل شده است و دو سنسور تشخیص موانع IR در دو طرف چپ و راست روبات متصل شده اند تا موانع جانبی را تشخیص دهند.

با حرکت روبات در مسیر مورد نظر ، سنسور اولتراسونیک به طور مداوم امواج مافوق صوت را منتقل می کند. هرگاه مانعی در مقابل روبات قرار گیرد ، امواج مافوق صوت از موانع بازتاب می شوند و این اطلاعات به GreenPAK منتقل می شود. همزمان ، سنسورهای IR در حال انتشار و دریافت امواج IR هستند. پس از تفسیر ورودی های سنسورهای اولتراسونیک و IR ، GreenPAK موتورهای هر یک از چهار چرخ را کنترل می کند.

مرحله 4: شرح الگوریتم

در هنگام راه اندازی ، چهار موتور به طور همزمان روشن می شوند و باعث می شوند ربات به جلو حرکت کند. در مرحله بعد ، سنسور اولتراسونیک در فواصل منظم پالس هایی را از جلوی ربات ارسال می کند. اگر مانعی وجود داشته باشد ، پالس های صدا منعکس شده و توسط سنسور تشخیص داده می شوند. بازتاب پالس ها بستگی به وضعیت فیزیکی مانع دارد: اگر شکل آن نامنظم باشد ، پالس های منعکس شده کمتر خواهند بود. اگر یکنواخت باشد ، بیشتر پالس های منتقل شده منعکس می شوند. بازتاب نیز بستگی به جهت موانع دارد. اگر کمی کج باشد یا به موازات سنسور قرار گیرد ، بیشتر امواج صوتی بدون انعکاس عبور می کنند.

هنگامی که مانعی در مقابل روبات تشخیص داده می شود ، خروجی های جانبی سنسورهای IR مشاهده می شود. اگر مانعی در سمت راست تشخیص داده شود ، لاستیک های سمت چپ ربات غیرفعال شده و باعث چرخش آن به سمت چپ می شود و بالعکس. اگر مانعی شناسایی نشد ، الگوریتم تکرار می شود. نمودار جریان در شکل 2 نشان داده شده است.

مرحله 5: سنسور اولتراسونیک HC-SR04

سنسور اولتراسونیک دستگاهی است که می تواند با استفاده از امواج صوتی فاصله یک جسم را اندازه گیری کند. این فاصله را با ارسال یک موج صوتی با فرکانس مشخص و شنیدن بازگشت موج صوتی اندازه گیری می کند. با ثبت زمان سپری شده بین موج صوتی تولید شده و برگشت موج صوتی ، می توان فاصله بین سنسور سونار و جسم را محاسبه کرد. صدا با سرعت 344 متر بر ثانیه (1129 فوت/ثانیه) از طریق هوا حرکت می کند ، بنابراین می توانید فاصله با جسم را با استفاده از فرمول 1 محاسبه کنید.

سنسور اولتراسونیک HC-SR04 از چهار پین Vdd ، GND ، Trigger و Echo تشکیل شده است. هر زمان که یک پالس از کنترل کننده به پین Trigger اعمال می شود ، سنسور یک موج اولتراسوند را از "بلندگو" ساطع می کند. امواج منعکس شده توسط "گیرنده" تشخیص داده می شوند و از طریق پین اکو به کنترلر منتقل می شوند. هرچه فاصله بین سنسور و مانع بیشتر باشد ، نبض در پین اکو طولانی تر خواهد بود. پالس برای مدتی طول می کشد که پالس سونار از سنسور حرکت کرده و به عقب برگردد ، تقسیم بر دو. هنگامی که سونار فعال می شود ، یک تایمر داخلی شروع می شود و تا تشخیص موج بازتابی ادامه می یابد. این زمان سپس به دو تقسیم می شود زیرا زمان واقعی که موج صوتی برای رسیدن به مانع طول کشید نصف زمانی بود که تایمر روشن بود.

عملکرد سنسور اولتراسونیک در شکل 4 نشان داده شده است.

برای تولید پالس اولتراسونیک ، باید Trigger را به مدت 10μs روی حالت HIGH قرار دهید. این یک انفجار صوتی 8 چرخه را ارسال می کند ، که از هر مانعی در جلوی دستگاه منعکس می شود و توسط سنسور دریافت می شود. پین اکو زمان (موج صوتی) را (بر حسب میکروثانیه) خروجی می دهد.

مرحله 6: ماژول سنسور تشخیص موانع مادون قرمز

مانند سنسور اولتراسوند ، مفهوم اساسی تشخیص مانع مادون قرمز (IR) انتقال یک سیگنال IR (به شکل تابش) و مشاهده بازتاب آن است. ماژول سنسور IR در شکل 6 نشان داده شده است.

امکانات

• یک چراغ نشانگر مانع روی برد مدار وجود دارد
• سیگنال خروجی دیجیتال
• فاصله تشخیص: 2 ~ 30 سانتی متر
• زاویه تشخیص: 35 درجه
• تراشه مقایسه: LM393
• محدوده فاصله تشخیص قابل تنظیم از طریق پتانسیومتر:

wise در جهت عقربه های ساعت: فاصله تشخیص را افزایش دهید

○ خلاف جهت عقربه های ساعت: فاصله تشخیص را کاهش دهید

مشخصات فنی

• ولتاژ کار: 3 - 5 ولت DC
• نوع خروجی: خروجی سوئیچینگ دیجیتال (0 و 1)
• سوراخ های پیچ 3 میلی متری برای نصب آسان
• اندازه تخته: 3.2 1. 1.4 سانتی متر

شرح شاخص کنترل در جدول 1 شرح داده شده است.

مرحله 7: مدار راننده موتور L298N

مدار راننده موتور یا H-Bridge برای کنترل سرعت و جهت موتورهای DC استفاده می شود. دارای دو ورودی است که باید به منبع تغذیه DC جداگانه متصل شوند (موتورها جریان زیادی را می کشند و نمی توانند مستقیماً از کنترلر تامین شوند) ، دو مجموعه خروجی برای هر موتور (مثبت و منفی) ، دو پین فعال کننده برای هر کدام مجموعه ای از خروجی ها و دو مجموعه پین برای کنترل جهت هر خروجی موتور (دو پین برای هر موتور). اگر به دو پین سمت چپ سطوح منطقی HIGH برای یک پین و LOW برای پین دیگر داده شود ، موتور متصل به پریز سمت چپ در یک جهت می چرخد و اگر ترتیب منطق برعکس (LOW و HIGH) باشد ، موتورها می چرخند. در جهت مخالف. همین امر در مورد راست ترین پین ها و موتور خروجی راست صدق می کند. اگر سطوح منطقی HIGH یا LOW به هر دو پایه در جفت داده شود ، موتورها متوقف می شوند.

این درایور موتور دو جهته بر اساس IC بسیار معروف L298 D-H-Bridge Motor Driver IC ساخته شده است. این ماژول به شما امکان می دهد به راحتی و به طور مستقل دو موتور را در هر دو جهت کنترل کنید. از سیگنال های منطقی استاندارد برای کنترل استفاده می کند و می تواند موتورهای پله ای دو فاز ، موتورهای پله ای چهار فاز و موتورهای DC دو فاز را هدایت کند. این دستگاه دارای یک خازن فیلتر و یک دیود چرخ آزاد است که از وسایل موجود در مدار در برابر آسیب معکوس جریان القایی محافظت می کند و قابلیت اطمینان را افزایش می دهد. L298 دارای ولتاژ درایور 5-35 ولت و سطح منطقی 5 ولت است.

عملکرد راننده موتور در جدول 2 توضیح داده شده است.

بلوک دیاگرام که ارتباط بین سنسور اولتراسونیک ، درایور موتور و تراشه GPAK را نشان می دهد در شکل 8 نشان داده شده است.

مرحله 8: طراحی GreenPAK

در ماتریس 0 ، ورودی ماشه برای سنسور با استفاده از CNT0/DLY0 ، CNT5/DLY5 ، INV0 و نوسان ساز تولید شد. ورودی از پین Echo سنسور اولتراسونیک با استفاده از Pin3 خوانده می شود. سه ورودی در LUT0 3 بیتی اعمال می شود: یکی از Echo ، دیگری از Trigger و سومین ورودی Trigger که 30 تا تاخیر دارد. خروجی این جدول جستجو در ماتریس 1 استفاده می شود. خروجی سنسورهای IR نیز در ماتریس 0 گرفته شده است.

در ماتریس 1 ، پورت های P1 و P6 با هم OR'd هستند و به Pin17 متصل شده اند که به Pin1 درایور موتور متصل شده است. Pin18 همیشه در حالت LOW منطقی قرار دارد و به Pin2 درایور موتور متصل است. به همین ترتیب ، پورت های P2 و P7 با هم OR'd هستند و به Pin20 GreenPAK ، که به P3 مدار راننده موتور متصل است ، متصل می شوند. Pin19 به Pin4 درایور موتور متصل است و همیشه در منطق LOW است.

هنگامی که پین اکو HIGH است ، به این معنی است که یک شی در مقابل ربات قرار دارد. سپس ربات موانع چپ و راست را از طریق حسگرهای IR بررسی می کند. اگر مانعی در سمت راست ربات وجود داشته باشد ، به چپ می چرخد و اگر مانعی در سمت چپ وجود داشته باشد ، به راست می چرخد. به این ترتیب ، ربات از موانع جلوگیری کرده و بدون برخورد حرکت می کند.

نتیجه

در این دستورالعمل ، ما با استفاده از GreenPAK SLG46620V به عنوان عنصر اصلی کنترل ، یک وسیله نقلیه تشخیص و اجتناب خودکار ساده ایجاد کردیم. با استفاده از مدارهای اضافی ، این طرح را می توان برای انجام کارهای دیگر مانند یافتن مسیر به یک نقطه خاص ، الگوریتم حل پیچ و خم ، الگوریتم زیر خط و غیره تقویت کرد.

مرحله 9: تصاویر سخت افزاری