Robot da seguire a parete fai-da-te: 9 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

In questo Instructable, spiegheremo come progettare un sistema di rilevamento ed evitamento degli ostacoli utilizzando un GreenPAK™ insieme ad alcuni sensori esterni a ultrasuoni e infrarossi (IR). Questo progetto introdurrà alcuni argomenti necessari per i sistemi robotici autonomi e artificialmente intelligenti.

Di seguito abbiamo descritto i passaggi necessari per capire come è stata programmata la soluzione per creare un robot che segue il muro. Tuttavia, se desideri solo ottenere il risultato della programmazione, scarica il software GreenPAK per visualizzare il file di progettazione GreenPAK già completato. Collega il kit di sviluppo GreenPAK al tuo computer e premi il programma per creare il robot che segue il muro.

Passaggio 1: Dichiarazione del problema

Recentemente c'è stato un rinnovato interesse per l'intelligenza artificiale e gran parte di questo interesse è diretto verso macchine completamente autonome e intelligenti. Tali robot possono ridurre al minimo la responsabilità umana ed estendere l'automazione a settori come i servizi civili e la difesa. I ricercatori di intelligenza artificiale stanno tentando di automatizzare servizi come antincendio, assistenza medica, gestione dei disastri e compiti di salvataggio attraverso veicoli robotici autonomi. Una sfida che questi veicoli devono superare è come rilevare ed evitare con successo ostacoli come macerie, incendi, insidie, ecc.

Passaggio 2: dettagli di implementazione

In questo Instructable, utilizzeremo un sensore a ultrasuoni, una coppia di sensori di rilevamento ostacoli IR, un circuito di pilotaggio del motore (L298N), quattro motori CC, ruote, uno scheletro per auto a 4 ruote motrici e un chip GreenPAK SLG46620V.

Un pin di uscita digitale del controller GreenPAK viene utilizzato per attivare il sensore a ultrasuoni (noto anche come sonar) e un pin di ingresso digitale viene utilizzato per raccogliere l'eco risultante dagli ostacoli davanti per l'analisi. Viene inoltre osservata l'uscita del sensore di rilevamento ostacoli IR. Dopo aver applicato una serie di condizioni, se un ostacolo è troppo vicino, i motori (collegati a ciascuna delle 4 ruote) vengono regolati per evitare la collisione.

Passaggio 3: spiegazione

Il robot autonomo per la prevenzione degli ostacoli deve essere in grado sia di rilevare ostacoli che di evitare collisioni. La progettazione di un tale robot richiede l'integrazione di diversi sensori, come sensori di urto, sensori a infrarossi, sensori a ultrasuoni, ecc. Montando questi sensori sul robot, è possibile ottenere informazioni sull'area circostante. Un sensore a ultrasuoni è adatto per il rilevamento di ostacoli per un robot autonomo che si muove lentamente, in quanto ha un costo contenuto e una portata relativamente elevata.

Un sensore a ultrasuoni rileva gli oggetti emettendo una breve raffica di ultrasuoni e quindi ascoltando l'eco. Sotto il controllo di un microcontrollore host, il sensore emette un breve impulso di 40 kHz. Questo impulso viaggia attraverso l'aria fino a quando non colpisce un oggetto e poi viene riflesso al sensore. Il sensore fornisce un segnale di uscita all'host che termina quando viene rilevata l'eco. In questo modo, l'ampiezza dell'impulso restituito viene utilizzata per calcolare la distanza dall'oggetto.

Questo veicolo robotico per evitare gli ostacoli utilizza un sensore a ultrasuoni per rilevare gli oggetti sul suo percorso. I motori sono collegati tramite un CI di driver del motore al GreenPAK. Il sensore a ultrasuoni è collegato alla parte anteriore del robot e i due sensori di rilevamento ostacoli IR sono fissati sui lati sinistro e destro del robot per rilevare gli ostacoli laterali.

Mentre il robot si sposta sul percorso desiderato, il sensore a ultrasuoni trasmette continuamente onde ultrasoniche. Ogni volta che un ostacolo si trova di fronte al robot, le onde ultrasoniche vengono riflesse dall'ostacolo e l'informazione viene trasmessa al GreenPAK. Contemporaneamente, i sensori IR emettono e ricevono onde IR. Dopo aver interpretato gli input dai sensori a ultrasuoni e IR, GreenPAK controlla i motori per ciascuna delle quattro ruote.

Passaggio 4: descrizione dell'algoritmo

All'avvio, i quattro motori vengono accesi contemporaneamente, provocando l'avanzamento del robot. Successivamente, il sensore a ultrasuoni invia impulsi dalla parte anteriore del robot a intervalli regolari. Se è presente un ostacolo, gli impulsi sonori vengono riflessi e vengono rilevati dal sensore. La riflessione degli impulsi dipende dallo stato fisico dell'ostacolo: se è di forma irregolare, allora gli impulsi riflessi saranno minori; se è uniforme, la maggior parte degli impulsi trasmessi verrà riflessa. La riflessione dipende anche dalla direzione dell'ostacolo. Se è leggermente inclinato o posizionato in parallelo al sensore, la maggior parte delle onde sonore passerà senza essere riflessa.

Quando viene rilevato un ostacolo davanti al robot, vengono osservate le uscite laterali dei sensori IR. Se viene rilevato un ostacolo sul lato destro, le ruote del lato sinistro del robot vengono disabilitate, facendolo girare verso sinistra e viceversa. Se non viene rilevato un ostacolo, l'algoritmo viene ripetuto. Il diagramma di flusso è mostrato in Figura 2.

Passaggio 5: sensore a ultrasuoni HC-SR04

Un sensore a ultrasuoni è un dispositivo in grado di misurare la distanza da un oggetto utilizzando le onde sonore. Misura la distanza inviando un'onda sonora a una frequenza specifica e ascoltando il rimbalzo di quell'onda sonora. Registrando il tempo trascorso tra l'onda sonora generata e l'onda sonora che rimbalza, è possibile calcolare la distanza tra il sensore sonar e l'oggetto. Il suono viaggia nell'aria a circa 344 m/s (1129 ft/s), quindi puoi calcolare la distanza dall'oggetto usando la Formula 1.

Il sensore a ultrasuoni HC-SR04 è costituito da quattro pin: Vdd, GND, Trigger ed Echo. Ogni volta che un impulso dal controller viene applicato al pin Trigger, il sensore emette un'onda ultrasonica da un "altoparlante". Le onde riflesse vengono rilevate dal "ricevitore" e vengono ritrasmesse al controller tramite il pin Echo. Maggiore è la distanza tra il sensore e un ostacolo, più lungo sarà l'impulso al pin Echo. L'impulso rimane attivo per il tempo impiegato dall'impulso sonar per viaggiare dal sensore e tornare indietro, diviso per due. Quando il sonar viene attivato, un timer interno si avvia e continua fino a quando non viene rilevata l'onda riflessa. Questo tempo viene quindi diviso per due perché il tempo effettivo impiegato dall'onda sonora per raggiungere l'ostacolo era la metà del tempo in cui il timer era attivo.

Il funzionamento del sensore a ultrasuoni è illustrato nella Figura 4.

Per generare l'impulso ultrasonico, è necessario impostare il trigger su uno stato ALTO per 10μs. Ciò invierà un'esplosione sonica di 8 cicli, che si rifletterà su qualsiasi ostacolo davanti al dispositivo e verrà ricevuta dal sensore. Il pin Echo emetterà il tempo (in microsecondi) che l'onda sonora ha viaggiato.

Passaggio 6: modulo sensore rilevamento ostacoli a infrarossi

Come il sensore a ultrasuoni, il concetto di base del rilevamento degli ostacoli a infrarossi (IR) è trasmettere un segnale IR (sotto forma di radiazione) e osservarne la riflessione. Il modulo del sensore IR è mostrato in Figura 6.

Caratteristiche

• Sulla scheda del circuito è presente una spia luminosa di ostacolo
• Segnale di uscita digitale
• Distanza di rilevamento: 2 ~ 30 cm
• Angolo di rilevamento: 35 °
• Chip comparatore: LM393
• Distanza di rilevamento regolabile tramite potenziometro:

○ In senso orario: aumenta la distanza di rilevamento

○ In senso antiorario: ridurre la distanza di rilevamento

Specifiche

• Tensione di lavoro: 3 – 5 V CC
• Tipo di uscita: uscita di commutazione digitale (0 e 1)
• Fori per viti da 3 mm per un facile montaggio
• Dimensioni tavola: 3,2 x 1,4 cm

Indicatore di controllo Descrizione descritta nella Tabella 1.

Passaggio 7: circuito driver motore L298N

Il circuito di pilotaggio del motore, o H-Bridge, viene utilizzato per controllare la velocità e la direzione dei motori CC. Ha due ingressi che devono essere collegati a una fonte di alimentazione CC separata (i motori assorbono una forte corrente e non possono essere forniti direttamente dal controller), due serie di uscite per ciascun motore (positivo e negativo), due pin di abilitazione per ciascuno set di uscite e due set di pin per il controllo della direzione di ciascuna uscita motore (due pin per ogni motore). Se ai due pin più a sinistra vengono dati i livelli logici ALTO per un pin e BASSO per l'altro, il motore collegato all'uscita sinistra ruoterà in una direzione, e se la sequenza della logica è invertita (BASSO e ALTO), i motori ruoteranno nella direzione opposta. Lo stesso vale per i pin più a destra e il motore di uscita destro. Se ad entrambi i pin della coppia viene assegnato un livello logico ALTO o BASSO, i motori si fermeranno.

Questo doppio driver per motore bidirezionale si basa sul famosissimo L298 Dual H-Bridge Motor Driver IC. Questo modulo consente di controllare in modo semplice e indipendente due motori in entrambe le direzioni. Utilizza i segnali logici standard per il controllo e può pilotare motori passo-passo bifase, motori passo-passo quadrifase e motori CC bifase. Ha un condensatore di filtro e un diodo a ruota libera che protegge i dispositivi nel circuito dai danni causati dalla corrente inversa di un carico induttivo, migliorando l'affidabilità. L298 ha una tensione del driver di 5-35 V e un livello logico di 5 V.

La funzione del driver del motore è descritta nella Tabella 2.

Lo schema a blocchi che mostra le connessioni tra il sensore a ultrasuoni, il driver del motore e il chip GPAK è mostrato nella Figura 8.

Passaggio 8: progettazione GreenPAK

In Matrix 0, l'ingresso trigger per il sensore è stato generato utilizzando CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 e l'oscillatore. L'input dal pin Echo del sensore a ultrasuoni viene letto utilizzando il Pin3. Vengono applicati tre ingressi a LUT0 a 3 bit: uno da Echo, un altro dal Trigger e un terzo che è l'ingresso Trigger ritardato di 30 us. L'output di questa tabella di ricerca viene utilizzato in Matrix 1. Anche l'output dei sensori IR viene utilizzato in Matrix 0.

In Matrix 1, le porte P1 e P6 sono messe in OR insieme e collegate al Pin17, che è collegato al Pin1 del driver del motore. Il Pin18 è sempre a logica LOW ed è collegato al Pin2 del driver del motore. Allo stesso modo, le porte P2 e P7 sono messe in OR insieme e collegate al Pin20 di GreenPAK, che è collegato a P3 del circuito del driver del motore. Il Pin19 è collegato al Pin4 del driver del motore ed è sempre a logica LOW.

Quando il pin Echo è ALTO, significa che un oggetto è davanti al robot. Il robot controlla quindi la presenza di ostacoli sinistro e destro dai sensori IR. Se è presente un ostacolo anche sul lato destro del robot, allora gira a sinistra e se è presente un ostacolo sul lato sinistro, allora gira a destra. In questo modo il robot evita gli ostacoli e si muove senza collisioni.

Conclusione

In questo Instructable, abbiamo creato un semplice veicolo automatico per il rilevamento e l'elusione degli ostacoli utilizzando GreenPAK SLG46620V come elemento di controllo principale. Con alcuni circuiti aggiuntivi, questo design potrebbe essere migliorato per eseguire altre attività come trovare un percorso verso un punto specifico, un algoritmo di risoluzione dei labirinti, un algoritmo che segue la linea, ecc.

Passaggio 9: immagini dell'hardware