Tự làm tường robot sau: 9 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Trong phần Có thể hướng dẫn này, chúng tôi sẽ giải thích cách thiết kế hệ thống phát hiện và tránh chướng ngại vật bằng cách sử dụng GreenPAK ™ cùng với một số cảm biến siêu âm và hồng ngoại (IR) bên ngoài. Thiết kế này sẽ giới thiệu một số chủ đề cần thiết cho các hệ thống robot tự động và thông minh nhân tạo.

Dưới đây, chúng tôi mô tả các bước cần thiết để hiểu cách giải pháp đã được lập trình để tạo ra một robot theo sau bức tường. Tuy nhiên, nếu bạn chỉ muốn lấy kết quả của việc lập trình, hãy tải phần mềm GreenPAK để xem File thiết kế GreenPAK đã hoàn thành. Cắm Bộ phát triển GreenPAK vào máy tính của bạn và nhấn chương trình để tạo robot theo sau bức tường.

Bước 1: Tuyên bố vấn đề

Gần đây đã có sự quan tâm mới đến trí tuệ nhân tạo, và phần lớn mối quan tâm đó hướng đến các máy móc hoàn toàn tự trị và thông minh. Những robot như vậy có thể giảm thiểu trách nhiệm của con người và mở rộng tự động hóa sang các lĩnh vực như dịch vụ dân sự và quốc phòng. Các nhà nghiên cứu AI đang cố gắng tự động hóa các dịch vụ như cứu hỏa, chăm sóc y tế, quản lý thảm họa và nhiệm vụ cứu hộ thông qua các phương tiện robot tự động. Một thách thức mà những chiếc xe này phải vượt qua là làm thế nào để phát hiện và tránh thành công các chướng ngại vật như đống đổ nát, lửa, cạm bẫy, v.v.

Bước 2: Chi tiết triển khai

Trong Có thể hướng dẫn này, chúng tôi sẽ sử dụng cảm biến siêu âm, một cặp cảm biến phát hiện chướng ngại vật hồng ngoại, mạch điều khiển động cơ (L298N), bốn động cơ DC, bánh xe, khung xe dẫn động 4 bánh và chip GreenPAK SLG46620V.

Một chân đầu ra kỹ thuật số của bộ điều khiển GreenPAK được sử dụng để kích hoạt cảm biến siêu âm (hay còn gọi là sóng siêu âm) và một chân đầu vào kỹ thuật số được sử dụng để thu thập tiếng vọng kết quả từ các chướng ngại vật phía trước để phân tích. Đầu ra của cảm biến phát hiện chướng ngại vật hồng ngoại cũng được quan sát. Sau khi áp dụng một số điều kiện, nếu có chướng ngại vật quá gần, các động cơ (được kết nối với từng bánh trong số 4 bánh xe) sẽ được điều chỉnh để tránh va chạm.

Bước 3: Giải thích

Robot tự động tránh chướng ngại vật phải có khả năng vừa phát hiện chướng ngại vật vừa tránh va chạm. Việc thiết kế một robot như vậy đòi hỏi sự tích hợp của các cảm biến khác nhau, chẳng hạn như cảm biến va chạm, cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm, … Bằng cách gắn các cảm biến này lên robot, nó có thể nhận được thông tin về khu vực xung quanh. Cảm biến siêu âm thích hợp để phát hiện chướng ngại vật cho rô bốt tự động di chuyển chậm, vì nó có chi phí thấp và phạm vi hoạt động tương đối cao.

Cảm biến siêu âm phát hiện các vật thể bằng cách phát ra một vụ nổ siêu âm ngắn và sau đó lắng nghe tiếng vọng. Dưới sự điều khiển của vi điều khiển chủ, cảm biến phát ra một xung ngắn 40 kHz. Xung này di chuyển trong không khí cho đến khi nó chạm vào một vật thể và sau đó được phản xạ trở lại cảm biến. Cảm biến cung cấp tín hiệu đầu ra cho máy chủ kết thúc khi phát hiện thấy tiếng vọng. Bằng cách này, độ rộng của xung trả về được sử dụng để tính toán khoảng cách đến đối tượng.

Phương tiện robot tránh chướng ngại vật này sử dụng cảm biến siêu âm để phát hiện các vật thể trên đường đi của nó. Các động cơ được kết nối thông qua một IC điều khiển động cơ với GreenPAK. Cảm biến siêu âm được gắn vào phía trước của robot và hai cảm biến phát hiện chướng ngại vật IR được gắn ở bên trái và bên phải của robot để phát hiện các chướng ngại vật bên cạnh.

Khi robot di chuyển trên con đường mong muốn, cảm biến siêu âm liên tục truyền sóng siêu âm. Bất cứ khi nào có chướng ngại vật ở phía trước robot, sóng siêu âm sẽ được phản xạ trở lại từ chướng ngại vật và thông tin đó được chuyển đến GreenPAK. Đồng thời, các cảm biến IR đang phát ra và nhận các sóng IR. Sau khi giải thích các đầu vào từ các cảm biến siêu âm và IR, GreenPAK điều khiển các động cơ cho từng bánh xe trong số bốn bánh xe.

Bước 4: Mô tả thuật toán

Khi khởi động, bốn động cơ được bật đồng thời, khiến robot di chuyển về phía trước. Tiếp theo, cảm biến siêu âm sẽ phát ra các xung từ phía trước của robot theo những khoảng thời gian đều đặn. Nếu có chướng ngại vật, các xung âm thanh sẽ bị phản xạ và được cảm biến phát hiện. Sự phản xạ của các xung phụ thuộc vào trạng thái vật lý của vật cản: nếu nó có hình dạng không đều, thì các xung phản xạ sẽ ít hơn; nếu nó là đồng nhất, thì hầu hết các xung được truyền đi sẽ bị phản xạ. Sự phản xạ cũng phụ thuộc vào hướng của chướng ngại vật. Nếu nó hơi nghiêng hoặc được đặt song song với cảm biến, thì hầu hết các sóng âm thanh sẽ không bị phản xạ lại.

Khi một chướng ngại vật được phát hiện ở phía trước của robot, thì các đầu ra bên cạnh từ các cảm biến IR sẽ được quan sát. Nếu phát hiện chướng ngại vật ở phía bên phải, lốp bên trái của rô-bốt sẽ bị vô hiệu hóa, khiến rô-bốt quay về phía bên trái và ngược lại. Nếu vật cản không được phát hiện, thì thuật toán được lặp lại. Sơ đồ dòng chảy được thể hiện trong Hình 2.

Bước 5: Cảm biến siêu âm HC-SR04

Cảm biến siêu âm là một thiết bị có thể đo khoảng cách đến một vật thể bằng cách sử dụng sóng âm thanh. Nó đo khoảng cách bằng cách gửi ra một sóng âm ở một tần số cụ thể và lắng nghe sóng âm đó dội lại. Bằng cách ghi lại thời gian trôi qua giữa sóng âm được tạo ra và sóng âm dội lại, có thể tính được khoảng cách giữa cảm biến sonar và vật thể. Âm thanh truyền trong không khí với vận tốc khoảng 344 m / s (1129 ft / s), vì vậy bạn có thể tính khoảng cách tới đối tượng bằng Công thức 1.

Cảm biến siêu âm HC-SR04 bao gồm bốn chân: Vdd, GND, Trigger và Echo. Bất cứ khi nào một xung từ bộ điều khiển được đưa vào chân Kích hoạt, cảm biến sẽ phát ra sóng siêu âm từ “loa”. Sóng phản xạ được phát hiện bởi "bộ thu" và được truyền trở lại bộ điều khiển thông qua chân Echo. Khoảng cách giữa cảm biến và vật cản càng dài thì xung tại chân Echo sẽ càng dài. Xung duy trì trong khoảng thời gian mà xung sonar đi từ cảm biến và quay trở lại, chia cho hai. Khi kích hoạt sonar, một bộ đếm thời gian bên trong sẽ bắt đầu và tiếp tục cho đến khi phát hiện ra sóng phản xạ. Thời gian này sau đó được chia cho hai vì thời gian thực tế để sóng âm đến chướng ngại vật bằng một nửa thời gian bật đồng hồ.

Hoạt động của cảm biến siêu âm được minh họa trong Hình 4.

Để tạo ra xung siêu âm, bạn cần đặt Bộ kích hoạt ở trạng thái CAO trong 10μs. Điều đó sẽ phát ra một loạt âm thanh 8 chu kỳ, sẽ phản xạ lại bất kỳ vật cản nào phía trước thiết bị và được cảm biến tiếp nhận. Chân Echo sẽ xuất ra thời gian (tính bằng micro giây) mà sóng âm thanh truyền đi.

Bước 6: Mô-đun cảm biến phát hiện chướng ngại vật hồng ngoại

Giống như cảm biến siêu âm, khái niệm cơ bản của việc phát hiện chướng ngại vật bằng tia hồng ngoại (IR) là truyền tín hiệu IR (dưới dạng bức xạ) và quan sát sự phản xạ của nó. Mô-đun cảm biến hồng ngoại được thể hiện trong Hình 6.

Đặc trưng

• Có đèn báo chướng ngại vật trên bảng mạch
• Tín hiệu đầu ra kỹ thuật số
• Khoảng cách phát hiện: 2 ~ 30 cm
• Góc phát hiện: 35 °
• Chip so sánh: LM393
• Khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh thông qua chiết áp:

○ Theo chiều kim đồng hồ: Tăng khoảng cách phát hiện

○ Ngược chiều kim đồng hồ: Giảm khoảng cách phát hiện

Thông số kỹ thuật

• Điện áp làm việc: 3 - 5 V DC
• Loại đầu ra: Đầu ra chuyển mạch kỹ thuật số (0 và 1)
• Các lỗ vít 3 mm để dễ dàng lắp đặt
• Kích thước bảng: 3,2 x 1,4 cm

Mô tả Chỉ báo Kiểm soát được mô tả trong Bảng 1.

Bước 7: Mạch điều khiển động cơ L298N

Mạch điều khiển động cơ, hoặc H-Bridge, được sử dụng để điều khiển tốc độ và hướng của động cơ DC. Nó có hai đầu vào phải được kết nối với nguồn điện một chiều riêng biệt (động cơ tạo ra dòng điện nặng và không thể được cung cấp trực tiếp từ bộ điều khiển), hai bộ đầu ra cho mỗi động cơ (dương và âm), hai chân kích hoạt cho mỗi bộ đầu ra và hai bộ chân để điều khiển hướng của mỗi ổ cắm động cơ (hai chân cho mỗi động cơ). Nếu hai chân ngoài cùng bên trái được cung cấp mức logic CAO cho một chân và THẤP cho chân kia, động cơ được kết nối với ổ cắm bên trái sẽ quay theo một hướng và nếu trình tự logic bị đảo ngược (THẤP và CAO), động cơ sẽ quay Ở hướng ngược lại. Điều tương tự cũng áp dụng cho các chân ngoài cùng bên phải và động cơ ổ cắm bên phải. Nếu cả hai chân trong cặp được cung cấp mức logic CAO hoặc THẤP, động cơ sẽ dừng.

Trình điều khiển động cơ hai chiều kép này dựa trên IC điều khiển động cơ cầu H kép L298 rất phổ biến. Mô-đun này cho phép bạn điều khiển dễ dàng và độc lập hai động cơ theo cả hai hướng. Nó sử dụng các tín hiệu logic tiêu chuẩn để điều khiển và nó có thể điều khiển động cơ bước hai pha, động cơ bước bốn pha và động cơ DC hai pha. Nó có một tụ lọc và một diode tự do giúp bảo vệ các thiết bị trong mạch khỏi bị hỏng bởi dòng điện ngược của tải cảm ứng, nâng cao độ tin cậy. L298 có điện áp trình điều khiển 5-35 V và mức logic 5 V.

Chức năng của trình điều khiển động cơ được mô tả trong Bảng 2.

Sơ đồ khối hiển thị các kết nối giữa cảm biến siêu âm, trình điều khiển động cơ và chip GPAK được hiển thị trong Hình 8.

Bước 8: Thiết kế GreenPAK

Trong Ma trận 0, đầu vào kích hoạt cho cảm biến được tạo bằng CNT0 / DLY0, CNT5 / DLY5, INV0 và bộ dao động. Đầu vào từ chân Echo của cảm biến siêu âm được đọc bằng Pin3. Ba đầu vào được áp dụng ở LUT0 3 bit: một từ Echo, một từ Trigger và một đầu vào thứ ba là đầu vào Trigger bị trễ 30 us. Đầu ra từ bảng tra cứu này được sử dụng trong Ma trận 1. Đầu ra từ cảm biến IR cũng được lấy trong Ma trận 0.

Trong Ma trận 1, các cổng P1 và P6 được HOẶC với nhau và được kết nối với Pin17, được gắn vào Pin1 của trình điều khiển động cơ. Pin18 luôn ở mức logic LOW và được kết nối với Pin2 của trình điều khiển động cơ. Tương tự như vậy, các cổng P2 và P7 được HOẶC với nhau và được kết nối với GreenPAK’s Pin20, được gắn vào P3 của mạch trình điều khiển động cơ. Pin19 được kết nối với Pin4 của trình điều khiển động cơ và luôn ở mức logic THẤP.

Khi chân Echo ở mức CAO, điều đó có nghĩa là một đối tượng đang ở phía trước rô bốt. Sau đó, robot sẽ kiểm tra các chướng ngại vật bên trái và bên phải từ các cảm biến IR. Nếu có chướng ngại vật ở phía bên phải của rô bốt, thì rô bốt quay sang trái và nếu có chướng ngại vật ở bên trái thì rô bốt rẽ phải. Bằng cách này, robot sẽ tránh được các chướng ngại vật và di chuyển mà không bị va chạm.

Phần kết luận

Trong Có thể hướng dẫn này, chúng tôi đã tạo ra một phương tiện tránh và phát hiện chướng ngại vật tự động đơn giản bằng cách sử dụng GreenPAK SLG46620V làm phần tử điều khiển chính. Với một số mạch bổ sung, thiết kế này có thể được cải tiến để thực hiện các tác vụ khác như tìm đường dẫn đến một điểm cụ thể, thuật toán giải mê cung, thuật toán theo dòng, v.v.

Bước 9: Hình ảnh phần cứng