Robot tránh Utrasonic sử dụng Arduino: 7 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Trong hướng dẫn này, tôi sẽ chỉ cho bạn cách tự chế tạo robot tránh chướng ngại vật của riêng bạn! Chúng tôi sẽ sử dụng bảng Arduino UNO và một cảm biến siêu âm. Nếu robot phát hiện một vật thể ở phía trước, với sự hỗ trợ của một động cơ servo nhỏ, nó sẽ quét khu vực bên trái và bên phải để tìm cách rẽ nhất. Nó cũng có đèn LED thông báo, còi để phát âm báo khi phát hiện đối tượng và nút thay đổi chức năng của rô bốt (dừng / di chuyển về phía trước).

Nó rất dễ dàng để làm cho nó!

Bước 1: Những điều cần thực hiện

Đối với dự án này, bạn sẽ cần:

1. Arduino UNO (mua nó từ gearbest.com)
2. Breadboard mini (mua nó từ gearbest.com)
3. Mô-đun điều khiển động cơ L298 (mua nó từ gearbest.com)
4. Động cơ một chiều 2x có bánh xe cảm biến siêu âm HC-SR04 (mua nó từ gearbest.com)
5. Động cơ servo siêu nhỏ (mua nó từ gearbest.com)
6. Nút màu đỏ LED220 Ohm Giá đỡ pin 9V (có hoặc không có giắc cắm nguồn)
7. 8 miếng đệm (nam-nữ),
8. 8 đai ốc và 8 vít bạn cũng sẽ cần một cái lớn (kim loại)

kẹp giấy và một hạt để làm bánh xe đỡ phía sau.

Đối với cơ sở robot, tôi đã sử dụng Acryllic Chasis từ Aliexpress. Bạn cũng có thể sử dụng một miếng gỗ hoặc kim loại (hoặc hai tấm điện).

Chi phí của toàn bộ dự án là khoảng 20 $

Dụng cụ: Máy khoan keo siêu keo tổ lái keo nóng (tùy chọn) Công suất:

Chúng tôi sẽ sử dụng pin 9V để cấp nguồn cho rô-bốt của mình vì nó nhỏ và rẻ, nhưng không mạnh lắm và sẽ hết sạch sau khoảng một giờ. Hãy cân nhắc nếu bạn muốn sử dụng bộ pin sạc lại được (tối thiểu 6V, tối đa 7V) sẽ mạnh hơn nhưng cũng đắt hơn và lớn hơn so với pin 9V.

Bước 2: Hiểu khái niệm

Mục đích là làm cho robot nhận biết được các chướng ngại vật trước mặt, để có thể đổi hướng và tránh chúng. Trong phần trước, chúng ta đã thực hiện việc di chuyển robot - bây giờ chúng ta sẽ trao cho anh ta một số quyền tự chủ.

Thiết bị cảm biến sóng siêu âm

HC-SR04 là mạch có thể đo khoảng cách đến vật thể lên đến 4 mét bằng sóng siêu âm. Nó gửi một ping (giống như một chiếc tàu ngầm) và đo thời gian (tính bằng micro giây) giữa việc gửi và nhận lại bất cứ thứ gì. Thời gian này sau đó được chia cho 2 khi sóng truyền qua lại. Và sau đó chia cho 29 để có khoảng cách tính bằng cm (hoặc 74 cho inch), vì âm thanh truyền đi 29,4µs trên cm (340 m / s). Cảm biến rất chính xác với dung sai ~ 3 mm và dễ dàng tích hợp với Arduino.

Cảm biến siêu âm giao thoa với Vi điều khiển AVR

Bất kỳ rô bốt tự động nào cũng phải có chướng ngại vật tránh và gắn cảm biến đo khoảng cách. Một cặp thu phát hồng ngoại hoặc cảm biến thang độ xám có thể dễ dàng hoạt động để phát hiện chướng ngại vật trong phạm vi từ 1 cm đến 10 cm. Máy đo khoảng cách IR (ví dụ như máy đo từ sắc nét) có thể đo khoảng cách đến chướng ngại vật gần nhất với phạm vi lên đến 100cm. Tuy nhiên, cảm biến IR bị ảnh hưởng bởi ánh sáng mặt trời và các nguồn sáng khác. Máy đo khoảng cách IR có ít phạm vi hơn và cũng đắt tiền cho những gì nó làm được. Cảm biến siêu âm (còn được gọi là cảm biến tiệm cận siêu âm hoặc sonar cho những người đam mê công nghệ) thực hiện cả hai nhiệm vụ này với chi phí hợp lý và độ chính xác đặc biệt. Phạm vi từ 3 cm đến 350 cm với độ chính xác ~ 3 mm. Gắn một trong những cảm biến siêu âm này vào robot của chúng tôi, nó có thể hoạt động như một thiết bị tránh chướng ngại vật và một cảm biến đo khoảng cách.

Âm thanh "siêu âm" đề cập đến bất kỳ thứ gì cao hơn tần số của âm thanh nghe được và trên danh nghĩa bao gồm bất kỳ thứ gì trên 20, 000 Hz hoặc 20kHz! Cảm biến siêu âm không đắt tiền được sử dụng cho robot thường hoạt động trong dải tần từ 40 kHz đến 250 kHz trong khi những cảm biến được sử dụng trong thiết bị y tế lên đến 10Mhz.

Bước 3: Công cụ cần thiết

1. Đồng hồ vạn năng
2. Breadboard
3. Kìm mũi kim
4. Tua dây
5. Kìm cắt dây
6. Súng bắn keo

Đồng hồ vạn năng Một đồng hồ vạn năng thực sự là một thiết bị đơn giản được sử dụng chủ yếu để đo điện áp và điện trở và để xác định xem một mạch điện có đóng hay không. Tương tự như gỡ lỗi mã máy tính, Đồng hồ vạn năng giúp bạn "gỡ lỗi" các mạch điện tử của mình.

Vật liệu xây dựng

Nguồn cung cấp sẵn gỗ mỏng và / hoặc Plexiglas để làm khung cơ khí là rất hữu ích. Các kim loại như nhôm và thép thường bị hạn chế đối với những người tiếp cận cửa hàng máy móc mặc dù nhôm mỏng có thể được cắt bằng kéo và uốn bằng tay. Khung cơ thậm chí có thể được xây dựng từ các vật dụng gia đình như hộp nhựa.

Mặc dù có thể sử dụng các vật liệu khác như nhựa (ngoài Plexiglas) hoặc các vật liệu kỳ lạ hơn như sợi thủy tinh và sợi carbon, nhưng chúng sẽ không được xem xét trong hướng dẫn này. Một số nhà sản xuất đã lưu ý rằng không dễ dàng đối với hầu hết những người có sở thích sản xuất các bộ phận cơ khí của riêng họ và đã tạo ra các bộ phận cơ khí mô-đun. Công ty đi đầu trong lĩnh vực này là Lynxmotion cung cấp nhiều loại thiết kế rô bốt cũng như các bộ phận cần thiết để tạo rô bốt tùy chỉnh của riêng bạn.

Dụng cụ cầm tay

Tua vít và kìm có nhiều loại và kích cỡ khác nhau (bao gồm bộ dụng cụ của thợ kim hoàn: tua vít nhỏ thường có ở các cửa hàng đô la) là cần thiết. Một mũi khoan (tốt nhất là máy ép khoan cho các lỗ thẳng) cũng rất quan trọng. Một chiếc cưa tay để cắt vật liệu xây dựng (hoặc một bộ định tuyến) cũng là một tài sản quan trọng. Nếu ngân sách cho phép, một chiếc máy cưa vòng nhỏ để bàn (phạm vi 200 đô la) chắc chắn là một công cụ để xem xét.

Bảng mạch không hàn

Bảng mạch không hàn cho phép bạn tối ưu hóa bố cục và kết nối các thành phần một cách dễ dàng. Cùng với một breadboard không hàn, bạn nên mua một bộ dây jumper định hình sẵn bao gồm các dây được cắt sẵn và uốn cong nhằm mục đích sử dụng với breadboard không hàn. Điều này làm cho các kết nối rất dễ dàng.

Bộ tuốc nơ vít nhỏ

Những tua vít nhỏ này rất cần thiết khi làm việc với các thiết bị điện tử. Tuy nhiên, đừng ép chúng quá nhiều - kích thước của chúng khiến chúng dễ vỡ hơn.

Bộ tuốc nơ vít thông thường

Tất cả các xưởng cần có nhiều dụng cụ hoặc bộ công cụ bao gồm đầu dẹt / Phillips và các đầu tuốc nơ vít khác.

Kìm mũi kim

Bộ kìm mũi kim cực kỳ hữu ích khi làm việc với các thành phần và bộ phận nhỏ và là một bổ sung rất rẻ cho hộp đồ nghề của bạn. Chúng khác với kìm thông thường vì chúng có thể đi vào các khu vực nhỏ.

Dụng cụ cắt / tuốt dây

Bạn đang có ý định cắt bất kỳ sợi dây nào, một chiếc máy tuốt dây sẽ giúp bạn tiết kiệm đáng kể thời gian và công sức. Bộ rút dây, khi được sử dụng đúng cách, sẽ chỉ loại bỏ lớp cách điện của cáp và không tạo ra bất kỳ nếp gấp hoặc làm hỏng dây dẫn. Một sự thay thế khác cho dụng cụ tuốt dây là một chiếc kéo, mặc dù kết quả cuối cùng có thể khá lộn xộn. Kéo, thước, bút, bút chì, dao Exacto (hoặc dụng cụ cắt cầm tay khác) Đây là những vật dụng cần thiết trong bất kỳ văn phòng nào.

Bước 4: Các khái niệm về mã AVR

Tính toán tốc độ âm thanh so với cảm biến siêu âm

Toán học nhỏ, nhưng đừng sợ hãi. Nó đơn giản hơn bạn nghĩ.

Tốc độ âm thanh trong không khí khô ở nhiệt độ phòng (~ 20 ° C) = 343 mét / giây

Để sóng âm chạm và chuyển động tròn đến vật thể gần đó là = 343/2 = 171,5 m / vì phạm vi tối đa của cảm biến siêu âm giá rẻ là không quá 5 mét (hành trình khứ hồi), nó sẽ có ý nghĩa hơn đối với thay đổi đơn vị thành cm và micro giây.

1 Mét = 100 cm1 giây = 10 ^ 6 micro giây = (s / 171,5) x (m / 100 cm) x ((1x10 ^ 6) / s) = (1 / 171,5) x (1/100) x (1000000 / 1) = 58,30903790087464 us / cm = 58,31 us / cm (làm tròn thành hai chữ số để tính toán dễ dàng hơn)Do đó, thời gian để một xung truyền đến một vật thể và bật lại 1 cm là 58,31 micro giây.

nền nhỏ về chu kỳ đồng hồ AVR

Cần một chương hoàn toàn khác để hiểu về chu kỳ đồng hồ AVR, nhưng chúng ta sẽ hiểu sơ qua về cách thức hoạt động của nó để giúp tính toán của chúng ta dễ dàng hơn

Đối với ví dụ của chúng tôi, chúng tôi sẽ sử dụng bảng AVR Draco có vi điều khiển AVR - Atmega328P 8-bit. Để giữ mọi thứ đơn giản, chúng tôi sẽ không chỉnh sửa cài đặt của bộ vi điều khiển. Không có bit cầu chì chạm vào; Không có tinh thể bên ngoài đính kèm; Không đau đầu. Ở cài đặt gốc, nó chạy trên bộ dao động 8MHz nội bộ với bộ định mức / 8; Nếu bạn không hiểu tất cả điều này, nó chỉ đơn giản có nghĩa là vi điều khiển đang chạy ở 1MHz RC Oscillator bên trong và mỗi chu kỳ xung nhịp mất 1 micro giây.

1 2 1MHz = trong 1000000 chu kỳ mỗi giây Do đó, 1s / 1000000 = 1/1000000 = 1us

Đồng hồ AVR và chuyển đổi khoảng cách

Chúng tôi gần như ở đó! Một khi chúng ta biết cách chuyển đổi chu kỳ đồng hồ AVR thành khoảng cách di chuyển của sóng âm thanh, việc thực hiện logic trong một chương trình rất dễ dàng.

Ta biết tốc độ của sóng siêu âm ở môi trường lý tưởng là: 58,31 us / cm

Chúng ta biết rằng độ phân giải của vi điều khiển AVR là 1us / chu kỳ xung nhịp (CLK)

Do đó, quãng đường âm thanh truyền được trên mỗi chu kỳ đồng hồ (CLK) là:

1 2 3 = (58,31 us / cm) x (1us / clk) = 58,31 chu kỳ đồng hồ / cm hoặc = 1 / 58,31 cm / clk

Nếu biết được số chu kỳ đồng hồ để âm thanh truyền đi và dội lại, chúng ta có thể dễ dàng tính được khoảng cách. Ví dụ: nếu cảm biến mất 1000 chu kỳ đồng hồ để di chuyển và bật trở lại, thì khoảng cách từ cảm biến đến vật thể gần nhất là = 1000 / 58,31 = 17,15 cm (ước chừng)

Bây giờ mọi thứ có ý nghĩa không? Không? Đọc lại lần nữa

Nếu bạn rõ ràng với tất cả logic được đề cập ở trên, chúng tôi sẽ thực hiện nó trong một kịch bản thế giới thực bằng cách kết nối cảm biến siêu âm HC-SR04 rẻ tiền với bảng AVR Arduino của chúng tôi.

Bước 5: Kết nối phần cứng:

Arduino Board giúp dễ dàng kết nối với bất kỳ cảm biến bên ngoài nào và cũng có thể xem kết quả trên màn hình LCD. Đối với cảm biến phạm vi siêu âm, chúng tôi sử dụng mô-đun HC-SR04 rẻ tiền. Mô-đun có 4 chân có thể được kết nối với bảng vi điều khiển: VCC, TRIG, ECHO và GND.

Kết nối chân VCC với chân 5V và chân GND với mặt đất trên bảng Arduino.

Chân TRIG và chân ECHO có thể được kết nối với bất kỳ chân nào có sẵn trên bo mạch. Gửi tín hiệu 'cao' tối thiểu 10us đến chân kích hoạt sẽ gửi tám sóng âm thanh 40 kHz và kéo chân tiếng vọng lên cao. Nếu âm thanh phát ra từ một đối tượng gần đó và quay trở lại, âm thanh đó sẽ được thu lại bằng cách thu nhận đầu dò và chân tiếng vọng được kéo xuống "thấp".

Các biến thể khác của mô-đun cảm biến siêu âm cũng có sẵn chỉ với 3 chân. Nguyên tắc hoạt động vẫn giống nhau, nhưng chức năng của chân kích hoạt và chân echo được kết hợp thành một chân duy nhất.

Sau khi kết nối, Trigger và Echo Pins có thể được định cấu hình thông qua phần mềm. Để giữ cho ví dụ này đơn giản, chúng tôi sẽ không sử dụng bất kỳ chân ngắt nào (hoặc Chân chụp đầu vào) trong ví dụ này. Việc không sử dụng các chân ngắt được chỉ định cũng cho phép chúng tôi tự do kết nối mô-đun với bất kỳ chân nào có sẵn trên bảng.

Bước 6: Mã

Code Đoạn mã dưới đây chỉ chứa phần mở rộng "siêu âm" để điều khiển động cơ DC bằng Cầu H từ bài viết trước. Khi robot phát hiện chướng ngại vật trước mặt, nó sẽ quay lại (mức độ ngẫu nhiên) và tiếp tục di chuyển về phía trước. Chức năng này có thể dễ dàng mở rộng để tiếp tục quay đầu và phát hiện chướng ngại vật cùng một lúc - vì vậy robot sẽ không quay ngẫu nhiên mà chỉ bắt đầu di chuyển về phía trước khi không có vật thể nào được phát hiện.

Để biết giải thích mã Hãy tham khảo Video Youtube được liệt kê trên kênh.

Bước 7: Video

Xem video để biết toàn bộ quá trình.