ربات اجتنابی فراصوت با استفاده از آردوینو: 7 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:56

در این آموزش ، من به شما نشان خواهم داد که چگونه می توانید مانع جلوگیری از ربات خود شوید! ما از برد Arduino UNO و سنسور اولتراسونیک استفاده خواهیم کرد. اگر ربات جسمی را در جلوی خود تشخیص دهد ، با کمک یک سروو موتور کوچک ، منطقه را به چپ و راست اسکن می کند تا بهترین راه را برای چرخاندن پیدا کند. همچنین دارای یک LED اعلان ، یک زنگ برای پخش آهنگ هنگام تشخیص یک شی و یک دکمه برای تغییر عملکرد ربات (متوقف/حرکت به جلو) است.

خیلی راحت درست میشه!

مرحله 1: موارد مورد نیاز برای ایجاد

برای این پروژه به موارد زیر نیاز دارید:

1. آردوینو UNO (خرید آن از gearbest.com)
2. مینی بردبرد (آن را از gearbest.com بخرید)
3. ماژول درایور موتور L298 (آن را از gearbest.com بخرید)
4. 2 برابر موتورهای دی سی با چرخ سنسور اولتراسونیک HC-SR04 (از gearbest.com خرید کنید)
5. میکرو سروو موتور (آن را از gearbest.com بخرید)
6. دکمه قرمز LED220 اهم مقاومت 9V باتری (با یا بدون جک قدرت)
7. 8 فاصله دهنده (زن-مرد) ،
8. 8 مهره و 8 پیچ نیز به یک عدد بزرگ (فلزی) نیاز دارید

گیره کاغذ و یک مهره برای ساختن چرخ پشتی پشتیبانی کننده.

برای پایگاه ربات ، من از Acryllic Chasis از Aliexpress استفاده کردم. همچنین می توانید از یک تکه چوب یا فلز (یا دو صفحه الکتریکی) استفاده کنید.

هزینه کل پروژه حدود 20 دلار است

ابزار: ماشین مته سوپر چسب راننده خدمه چسب تفنگ گرم (اختیاری) قدرت:

ما از باتری 9 ولت برای تغذیه ربات خود استفاده می کنیم زیرا کوچک و ارزان است ، اما قدرت چندانی ندارد و بعد از حدود یک ساعت خالی می شود. در نظر داشته باشید که آیا می خواهید از یک باتری قابل شارژ (حداقل 6 ولت ، حداکثر 7 ولت) استفاده کنید که قدرتمندتر باشد ، اما گرانتر و بزرگتر از باتری 9 ولت نیز خواهد بود. عضویت در کانال یوتیوب ما اینجا را کلیک کنید

مرحله 2: درک مفاهیم

هدف این است که ربات را از موانع پیش روی خود آگاه کند تا بتواند جهت خود را تغییر داده و از آنها دوری کند. در مقاله قبلی ما حرکت ربات را انجام دادیم - اکنون ما به او استقلال می دهیم.

سنسور اولتراسونیک

HC-SR04 مداری است که می تواند با استفاده از امواج مافوق صوت فاصله تا اجسام تا 4 متر را اندازه گیری کند. یک پینگ (مانند زیردریایی) ارسال می کند و زمان ارسال و دریافت هر چیزی را (بر حسب میکرو ثانیه) اندازه گیری می کند. این زمان سپس با حرکت موج به جلو و عقب بر 2 تقسیم می شود. و سپس بر 29 تقسیم کنید تا فاصله را برحسب سانتی متر (یا 74 برای اینچ) بدست آورید ، زیرا صدا 29.4µs بر سانتیمتر (340 متر بر ثانیه) حرکت می کند. این سنسور با تحمل mm 3 میلی متر بسیار دقیق است و به راحتی با آردوینو ادغام می شود.

رابط سنسور اولتراسونیک با میکروکنترلر AVR

هر ربات مستقل باید از ایجاد مانع جلوگیری کرده و سنسور اندازه گیری فاصله متصل باشد. یک جفت فرستنده گیرنده IR یا یک سنسور مقیاس خاکستری می تواند به راحتی برای تشخیص موانع در محدوده 1 تا 10 سانتی متر کار کند. فاصله یاب های IR (به عنوان مثال موارد تیز) می توانند فاصله را تا نزدیکترین مانع با برد تا 100 سانتی متر اندازه گیری کنند. با این حال ، سنسورهای IR تحت تأثیر نور خورشید و سایر منابع نوری قرار می گیرند. محدوده یاب IR محدوده کمتری دارد و همچنین نسبت به آنچه انجام می دهد گران است. سنسورهای اولتراسونیک (که به سنسورهای مجاورتی فراصوت یا سونار برای گیک ها نیز معروف هستند) این دو کار را با هزینه مناسب و دقت استثنایی انجام می دهند. محدوده هر چیزی بین 3 سانتی متر تا 350 سانتی متر با دقت ~ 3 میلی متر است. با اتصال یکی از این سنسورهای اولتراسونیک به ربات ما ، می تواند هم به عنوان یک مانع جلوگیری کننده و هم به عنوان یک سنسور اندازه گیری فاصله عمل کند.

صدای "اولتراسونیک" به هر چیزی فراتر از فرکانس های صدای قابل شنیدن اشاره دارد و به طور اسمی شامل هر چیزی بیش از 20،000 هرتز یا 20 کیلوهرتز است! سنسورهای ارزان قیمت اولتراسونیک که برای رباتیک استفاده می شوند ، عموماً در محدوده 40 کیلوهرتز تا 250 کیلوهرتز کار می کنند ، در حالی که سنسورهای مورد استفاده در تجهیزات پزشکی تا 10 مگاهرتز افزایش می یابد.

مرحله 3: ابزارهای مورد نیاز

1. مولتی متر
2. تخته نان
3. دم باریک
4. استریپر سیم
5. سیم چین
6. تفنگ چسب

مولتی متر در واقع یک دستگاه ساده است که در درجه اول برای اندازه گیری ولتاژ و مقاومت و تعیین بسته بودن مدار استفاده می شود. مشابه اشکال زدایی کد رایانه ، مولتی متر به شما کمک می کند تا مدارهای الکترونیکی خود را "اشکال زدایی" کنید.

مصالح ساختمانی

عرضه چوب نازک و/یا پلکسی گلاس برای ساخت قاب مکانیکی بسیار مفید است. فلزاتی مانند آلومینیوم و فولاد اغلب محدود به کسانی است که به مغازه ماشین آلات دسترسی دارند ، اگرچه آلومینیوم نازک را می توان با قیچی برش داده و با دست خم کرد. حتی می توان قاب های مکانیکی را از وسایل خانه مانند ظروف پلاستیکی ساخت.

اگرچه مواد دیگری مانند پلاستیک (به غیر از پلکسی گلاس) یا مواد عجیب و غریب تر مانند فایبرگلاس و فیبر کربن امکان پذیر است ، اما در این راهنما به آنها توجه نمی شود. چندین تولید کننده اشاره کرده اند که تولید قطعات مکانیکی خود برای اکثر علاقه مندان آسان نیست و قطعات مکانیکی مدولار ایجاد کرده اند. یک رهبر در این زمینه Lynxmotion است که طیف گسترده ای از طراحی های روباتیک و همچنین قطعات مورد نیاز برای ساخت روبات های سفارشی شما را ارائه می دهد.

ابزار دست

پیچ گوشتی ها و انبردست ها در انواع و اندازه های مختلف (از جمله مجموعه ابزار جواهرساز: پیچ گوشتی های کوچکی که معمولاً در فروشگاه های دلاری موجود است) ضروری است. مته (ترجیحا پرس مته برای سوراخ های مستقیم) نیز مهم است. اره دستی برای برش مصالح ساختمانی (یا روتر) نیز یک دارایی مهم است. اگر بودجه اجازه می دهد ، یک اره رومیزی کوچک (محدوده 200 دلار) قطعاً ابزاری است که باید در نظر بگیرید.

تخته نان بدون لحیم

تخته نان بدون لحیم به شما امکان می دهد طرح خود را بهینه کرده و اجزا را با سهولت به هم متصل کنید. به همراه یک تخته نان بدون لحیم ، شما باید یک کیت سیم جامپر از قبل تشکیل شده را که شامل سیم های برش خورده و خم شده است و برای استفاده با تخته نان بدون لحیم استفاده می شود ، خریداری کنید. این امر ارتباطات را بسیار آسان می کند.

مجموعه پیچ گوشتی کوچک

این پیچ گوشتی های کوچک هنگام کار با وسایل الکترونیکی ضروری هستند. هر چند آنها را زیاد مجبور نکنید - اندازه آنها آنها را شکننده تر می کند.

مجموعه پیچ گوشتی معمولی

همه کارگاه ها به چند ابزار یا مجموعه ابزار نیاز دارند که شامل تخت / فیلیپس و دیگر سر پیچ گوشتی است.

دم باریک

مجموعه ای از انبردست بینی سوزنی هنگام کار با اجزا و قطعات کوچک بسیار مفید است و یک افزودنی بسیار ارزان برای جعبه ابزار شما است. این ها با انبردست معمولی متفاوت هستند زیرا به نقطه ای می رسند که می تواند به مناطق کوچک برسد.

برش دهنده های سیم/برش

شما در حال برنامه ریزی برای قطع هر گونه سیم هستید ، یک سیم برنده در زمان و تلاش قابل توجهی صرفه جویی می کند. در صورت استفاده صحیح از سیم برنده ، فقط عایق کابل را از بین می برد و هیچ گونه پیچیدگی ایجاد نمی کند و به رساناها آسیب نمی رساند. جایگزین دیگر سیم برنده یک قیچی است ، اگرچه نتیجه نهایی می تواند نامرتب باشد. قیچی ، خط کش ، قلم ، مداد نشانگر ، چاقوی Exacto (یا ابزار برش دستی دیگر) اینها در هر دفتر ضروری هستند.

مرحله 4: مفاهیمی برای کدگذاری AVR

محاسبه سرعت صدا نسبت به سنسورهای اولتراسونیک

ریاضیات کمی است ، اما نترسید. ساده تر از آن است که فکر می کنید.

سرعت صدا در هوای خشک در دمای اتاق (~ 20 درجه سانتی گراد) = 343 متر در ثانیه

برای برخورد موج صوتی و حرکت رفت و برگشت به جسم نزدیک = 343/2 = 171.5 متر/زیرا حداکثر برد سنسور اولتراسونیک ارزان از 5 متر بیشتر نیست (رفت و برگشت) ، منطقی تر است واحد ها را به سانتی متر و میکرو ثانیه تغییر دهید.

1 متر = 100 سانتیمتر 1 ثانیه = 10^6 میکروثانیه = (ث/171.5) x (متر/100 سانتی متر) x ((1x10^6)/ثانیه) (1/171.5) x (1/100) x (1000000/ 1) = 58.30903790087464 us/cm = 58.31 us/cm (گرد کردن به دو رقم برای سهولت محاسبات)بنابراین ، زمان لازم برای حرکت یک پالس به یک جسم و بازگشت 1 سانتی متر ، 58.31 میکروثانیه است.

پس زمینه کمی در چرخه های ساعت AVR

برای درک چرخه های ساعت AVR به فصل کاملاً متفاوتی نیاز است ، اما ما به طور خلاصه نحوه عملکرد آسانتر محاسبات خود را درک می کنیم.

برای مثال ما ، از برد AVR Draco استفاده می کنیم که دارای میکروکنترلر AVR 8 بیتی-Atmega328P است. برای ساده نگه داشتن مسائل ، ما تنظیمات یک میکروکنترلر را دستکاری نمی کنیم. قطعات فیوز لمس نشده است. کریستال خارجی متصل نشده است. بدون سردرد. در تنظیمات کارخانه ، از یک نوسان ساز داخلی 8 مگاهرتز با پیش شماره گیر 8/8 استفاده می کند. اگر همه اینها را نمی فهمید ، به این معنی است که میکروکنترلر با نوسان ساز داخلی RC 1 مگاهرتز کار می کند و هر چرخه ساعت 1 میکرو ثانیه طول می کشد.

1 2 1MHz = از 1000000 چرخه در ثانیه بنابراین ، 1s/1000000 = 1/1000000 = 1us

ساعت AVR و تبدیل فاصله

ما تقریباً آنجا هستیم! هنگامی که می دانیم چگونه چرخه های ساعت AVR را به مسافت طی شده توسط امواج صوتی تبدیل کنیم ، پیاده سازی منطق در برنامه آسان است.

ما می دانیم که سرعت صدای مافوق صوت در محیط ایده آل 58.31 us/cm است

ما می دانیم که وضوح میکروکنترلر AVR 1 چرخه/ساعت (CLK) است

بنابراین ، مسافت طی شده توسط صدا در هر چرخه ساعت (CLK) برابر است با:

1 2 3 = (58.31 us/ cm) x (1us/ clk) = 58.31 چرخه ساعت/ cm یا = 1/ 58.31 cm/ clk

اگر تعداد چرخه های ساعت مورد نیاز برای حرکت و برگشتن صدا مشخص باشد ، می توان به راحتی فاصله را محاسبه کرد. به عنوان مثال ، اگر سنسور به 1000 دور ساعت نیاز داشته باشد تا حرکت کند و به عقب بازگردد ، فاصله سنسور تا نزدیکترین شی = 1000/58.31 = 17.15 سانتی متر (تقریبا) است.

آیا الان همه چیز منطقی است؟ نه؟ دوباره بخوانید

اگر با تمام منطق ذکر شده در بالا روشن هستید ، ما آن را در یک سناریوی واقعی با اتصال یک سنسور ارزان قیمت اولتراسونیک HC-SR04 به برد AVR Arduino خود پیاده سازی می کنیم.

مرحله 5: اتصالات سخت افزاری:

برد آردوینو اتصال هر سنسور خارجی و همچنین مشاهده نتایج روی LCD را آسان می کند. برای سنجش محدوده مافوق صوت ، ما از یک ماژول ارزان HC-SR04 استفاده می کنیم. این ماژول دارای 4 پین است که می تواند به برد میکروکنترلر متصل شود: VCC ، TRIG ، ECHO و GND.

پین VCC را به برد 5 ولت و GND را به زمین روی برد آردوینو وصل کنید.

پین TRIG و پین ECHO را می توان به هر پین موجود روی برد متصل کرد. ارسال حداقل سیگنال 10us "high" برای راه اندازی پین ، هشت امواج صوتی 40 کیلوهرتزی را ارسال می کند و پین اکو را به سمت بالا می کشد. اگر صدا از جسم مجاور خارج شود و بازگردد ، با دریافت مبدل ضبط می شود و پین اکو "پایین" کشیده می شود.

انواع دیگر ماژول های حسگر اولتراسونیک نیز تنها با 3 پین موجود است. اصل کار هنوز یکسان است ، اما عملکرد پین های ماشه و اکو در یک پین واحد ترکیب شده است.

پس از اتصال ، Trigger و Echo Pins را می توان از طریق نرم افزار پیکربندی کرد. برای ساده نگه داشتن این مثال ، ما از هیچ پین وقفه (یا Input Capture Pin) در این مثال استفاده نمی کنیم. عدم استفاده از پین های وقفه تعیین شده همچنین به ما این امکان را می دهد که ماژول را به هر پین موجود روی برد متصل کنیم.

مرحله 6: کد

کد زیر فقط شامل یک "امواج فراصوت" برای کنترل موتور DC با استفاده از H-Bridge از مقاله قبلی است. هنگامی که ربات مانعی را در جلوی خود تشخیص می دهد ، می چرخد (درجه تصادفی) و به جلو حرکت می کند. این قابلیت را می توان به راحتی گسترش داد و موانع را به طور همزمان تشخیص داد - بنابراین ربات به طور تصادفی نمی چرخد ، اما تنها زمانی حرکت می کند که هیچ جسمی تشخیص داده نشود.

برای توضیح کد به ویدیوی یوتیوب فهرست شده در کانال مراجعه کنید.

مرحله 7: فیلم

ویدیو را برای کل فرایند مشاهده کنید.