DIY Duvar Takip Robotu: 9 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Bu Eğitilebilir Kitapta, birkaç harici ultrasonik ve kızılötesi (IR) sensörle birlikte bir GreenPAK™ kullanarak bir engel algılama ve kaçınma sisteminin nasıl tasarlanacağını açıklayacağız. Bu tasarım, otonom ve yapay olarak akıllı robotik sistemler için gerekli olan bazı konuları tanıtacaktır.

Aşağıda, çözümün bir duvarı takip eden robot oluşturmak için nasıl programlandığını anlamak için gereken adımları açıkladık. Ancak, sadece programlamanın sonucunu almak istiyorsanız, halihazırda tamamlanmış GreenPAK Tasarım Dosyasını görüntülemek için GreenPAK yazılımını indirin. GreenPAK Geliştirme Kitini bilgisayarınıza takın ve duvarı takip eden robotu oluşturmak için programa basın.

Adım 1: Sorun Bildirimi

Son zamanlarda yapay zekaya ilgi yeniden arttı ve bu ilginin çoğu tamamen otonom ve akıllı makinelere yönelik. Bu tür robotlar, insan sorumluluğunu en aza indirebilir ve otomasyonu sivil hizmetler ve savunma gibi alanlara genişletebilir. AI araştırmacıları, otonom robotik araçlar aracılığıyla yangınla mücadele, tıbbi bakım, afet yönetimi ve hayat kurtarma görevleri gibi hizmetleri otomatikleştirmeye çalışıyor. Bu araçların üstesinden gelmesi gereken bir zorluk, moloz, yangın, tuzaklar vb. gibi engellerin nasıl başarılı bir şekilde tespit edilip önleneceğidir.

2. Adım: Uygulama Ayrıntıları

Bu Eğitilebilir Kitapta, bir ultrasonik sensör, bir çift IR engel algılama sensörü, bir motor sürücü devresi (L298N), dört DC motor, tekerlek, 4 tekerlekten çekişli bir araba iskeleti ve bir GreenPAK SLG46620V yongası kullanacağız.

GreenPAK kontrolörünün dijital çıkış pini, ultrasonik sensörü (diğer adıyla sonar) tetiklemek için kullanılır ve analiz için önünüzdeki engellerden elde edilen yankıyı toplamak için bir dijital giriş pini kullanılır. IR engel algılama sensörünün çıkışı da gözlenir. Bir dizi koşul uygulandıktan sonra, bir engel çok yakınsa, motorlar (4 tekerleğin her birine bağlı) çarpışmayı önlemek için ayarlanır.

3. Adım: Açıklama

Otonom engellerden kaçınma robotu, hem engelleri algılayabilmeli hem de çarpışmalardan kaçınabilmelidir. Böyle bir robotun tasarımı, çarpma sensörleri, kızılötesi sensörler, ultrasonik sensörler vb. gibi farklı sensörlerin entegrasyonunu gerektirir. Bu sensörleri robota monte ederek çevredeki alan hakkında bilgi alabilir. Bir ultrasonik sensör, düşük maliyetli ve nispeten yüksek menzile sahip olduğundan, yavaş hareket eden otonom bir robot için engel tespiti için uygundur.

Ultrasonik bir sensör, kısa bir ultrasonik patlama yayarak ve ardından yankıyı dinleyerek nesneleri algılar. Bir ana mikro denetleyicinin kontrolü altında, sensör kısa bir 40 kHz darbe yayar. Bu darbe, bir nesneye çarpana kadar havada hareket eder ve ardından sensöre geri yansıtılır. Sensör, eko algılandığında sona eren ana bilgisayara bir çıkış sinyali sağlar. Bu şekilde, nesneye olan mesafeyi hesaplamak için döndürülen darbenin genişliği kullanılır.

Bu engellerden kaçınma robotik araç, yolundaki nesneleri algılamak için ultrasonik bir sensör kullanır. Motorlar, bir motor sürücüsü IC aracılığıyla GreenPAK'a bağlanır. Ultrasonik sensör robotun önüne takılır ve yan engelleri algılamak için robotun sol ve sağ taraflarına iki IR engel algılama sensörü takılır.

Robot istenilen yolda hareket ettikçe ultrasonik sensör sürekli olarak ultrasonik dalgalar iletir. Robotun önüne bir engel geldiğinde, ultrasonik dalgalar engelden geri yansıtılır ve bu bilgi GreenPAK'a iletilir. Aynı zamanda, IR sensörleri IR dalgaları yayar ve alır. Ultrasonik ve IR sensörlerinden gelen girdileri yorumladıktan sonra GreenPAK, dört tekerleğin her biri için motorları kontrol eder.

Adım 4: Algoritma Açıklaması

Başlangıçta, dört motor aynı anda çalıştırılarak robotun ilerlemesini sağlar. Ardından, ultrasonik sensör düzenli aralıklarla robotun önünden darbeler gönderir. Bir engel varsa, ses darbeleri yansıtılır ve sensör tarafından algılanır. Darbelerin yansıması, engelin fiziksel durumuna bağlıdır: şekli düzensiz ise, yansıyan darbeler daha az olacaktır; tekdüze ise, iletilen darbelerin çoğu yansıtılacaktır. Yansıma aynı zamanda engelin yönüne de bağlıdır. Hafifçe eğilirse veya sensöre paralel yerleştirilirse, ses dalgalarının çoğu yansımadan geçecektir.

Robotun önünde bir engel algılandığında IR sensörlerinden gelen yan çıkışlar gözlemlenir. Sağ tarafta bir engel algılanırsa, robotun sol taraftaki lastikleri devre dışı kalır ve robotun sola dönmesine neden olur ve bunun tersi de olur. Bir engel tespit edilmezse, algoritma tekrarlanır. Akış şeması Şekil 2'de gösterilmiştir.

Adım 5: Ultrasonik Sensör HC-SR04

Ultrasonik sensör, ses dalgalarını kullanarak bir nesneye olan mesafeyi ölçebilen bir cihazdır. Belirli bir frekansta bir ses dalgası göndererek ve bu ses dalgasının geri dönmesini dinleyerek mesafeyi ölçer. Oluşturulan ses dalgası ile geri dönen ses dalgası arasında geçen süreyi kaydederek, sonar sensörü ile nesne arasındaki mesafeyi hesaplamak mümkündür. Ses havada yaklaşık 344 m/s (1129 ft/sn) hızla yayılır, böylece Formül 1'i kullanarak nesneye olan mesafeyi hesaplayabilirsiniz.

HC-SR04 ultrasonik sensör dört pinden oluşur: Vdd, GND, Trigger ve Echo. Denetleyiciden Tetik pimine bir darbe uygulandığında, sensör bir "hoparlörden" bir ultrason dalgası yayar. Yansıyan dalgalar “alıcı” tarafından algılanır ve Echo pini aracılığıyla kontrolöre geri iletilir. Sensör ile bir engel arasındaki mesafe ne kadar uzun olursa, Yankı pimindeki darbe o kadar uzun olacaktır. Sonar darbesinin sensörden gidip geri dönmesi için geçen süre ikiye bölünerek darbe açık kalır. Sonar tetiklendiğinde, dahili bir zamanlayıcı başlar ve yansıyan dalga algılanana kadar devam eder. Bu süre daha sonra ikiye bölünür çünkü ses dalgasının engele ulaşması için geçen gerçek süre, zamanlayıcının açık olduğu sürenin yarısı kadardır.

Ultrasonik sensörün çalışması Şekil 4'te gösterilmektedir.

Ultrasonik darbe oluşturmak için Tetikleyiciyi 10μs için YÜKSEK duruma ayarlamanız gerekir. Bu, cihazın önündeki herhangi bir engelden yansıyacak ve sensör tarafından alınacak 8 döngülü bir sonik patlama gönderecektir. Yankı pimi, ses dalgasının seyahat ettiği süreyi (mikrosaniye cinsinden) verir.

Adım 6: Kızılötesi Engel Algılama Sensörü Modülü

Ultrason sensörü gibi, kızılötesi (IR) engel algılamanın temel konsepti, bir IR sinyali (radyasyon şeklinde) iletmek ve yansımasını gözlemlemektir. IR sensör modülü Şekil 6'da gösterilmektedir.

Özellikleri

• Devre kartında bir engel gösterge ışığı var
• Dijital çıkış sinyali
• Algılama mesafesi: 2 ~ 30 cm
• Algılama Açısı: 35°
• Karşılaştırıcı çip: LM393
• Potansiyometre ile ayarlanabilir algılama mesafesi aralığı:

○ Saat yönünde: Algılama mesafesini artırın

○ Saat yönünün tersine: Algılama mesafesini azaltın

Özellikler

• Çalışma gerilimi: 3 – 5 V DC
• Çıkış tipi: Dijital anahtarlama çıkışı (0 ve 1)
• Kolay montaj için 3 mm vida delikleri
• Tahta boyutu: 3,2 x 1,4 cm

Tablo 1'de açıklanan Kontrol Göstergesi Açıklaması.

Adım 7: Motor Sürücü Devresi L298N

Motor sürücü devresi veya H-Bridge, DC motorların hızını ve yönünü kontrol etmek için kullanılır. Ayrı bir DC güç kaynağına bağlanması gereken iki girişe (motorlar ağır akım çeker ve doğrudan kontrolörden beslenemez), her motor için iki set çıkışa (pozitif ve negatif), her biri için iki etkinleştirme pinine sahiptir. çıkış seti ve her motor çıkışının yön kontrolü için iki set pin (her motor için iki pin). En soldaki iki pime bir pim için YÜKSEK ve diğeri için DÜŞÜK mantık seviyeleri verilirse, sol çıkışa bağlanan motor bir yönde dönecek ve mantık dizisi ters (DÜŞÜK ve YÜKSEK) ise motorlar dönecektir. ters yönde. Aynısı en sağdaki pimler ve sağ çıkış motoru için de geçerlidir. Çiftteki her iki pime YÜKSEK veya DÜŞÜK mantık seviyeleri verilirse, motorlar duracaktır.

Bu çift çift yönlü motor sürücüsü, çok popüler olan L298 Çift H-Köprü Motor Sürücüsü IC'ye dayanmaktadır. Bu modül, iki motoru her iki yönde de kolayca ve bağımsız olarak kontrol etmenizi sağlar. Kontrol için standart mantık sinyallerini kullanır ve iki fazlı step motorları, dört fazlı step motorları ve iki fazlı DC motorları çalıştırabilir. Devredeki cihazları endüktif yükün ters akımından zarar görmekten koruyan ve güvenilirliği artıran bir filtre kondansatörüne ve serbest dönen bir diyota sahiptir. L298, 5-35 V sürücü voltajına ve 5 V mantık seviyesine sahiptir.

Motor sürücüsünün işlevi Tablo 2'de açıklanmıştır.

Ultrasonik sensör, motor sürücüsü ve GPAK yongası arasındaki bağlantıları gösteren blok şema Şekil 8'de gösterilmektedir.

Adım 8: GreenPAK Tasarımı

Matrix 0'da sensör için tetikleme girişi CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 ve osilatör kullanılarak oluşturulmuştur. Ultrasonik sensörün Yankı pininden gelen giriş, Pin3 kullanılarak okunur. 3-bit LUT0'da üç giriş uygulanır: biri Echo'dan, diğeri Tetikleyiciden ve üçüncüsü, 30 us gecikmeli Tetik girişidir. Bu arama tablosunun çıktısı Matrix 1'de kullanılır. IR sensörlerinden gelen çıktı da Matrix 0'da alınır.

Matrix 1'de, P1 ve P6 portları birlikte VEYA'lanır ve motor sürücüsünün Pin1'ine bağlı olan Pin17'ye bağlanır. Pin18 her zaman DÜŞÜK bir mantıktadır ve motor sürücüsünün Pin2'sine bağlıdır. Benzer şekilde, P2 ve P7 portları birlikte VEYA'lanır ve motor sürücü devresinin P3'üne bağlı GreenPAK'ın Pin20'sine bağlanır. Pin19, motor sürücüsünün Pin4'üne bağlıdır ve her zaman DÜŞÜK mantıktadır.

Yankı pimi YÜKSEK olduğunda, robotun önünde bir nesne olduğu anlamına gelir. Robot daha sonra IR sensörlerinden gelen sol ve sağ engelleri kontrol eder. Robotun sağ tarafında da bir engel varsa sola, sol tarafında bir engel varsa sağa döner. Bu sayede robot engellerden kaçınır ve çarpışmadan hareket eder.

Çözüm

Bu Eğitilebilir Kitapta, GreenPAK SLG46620V'yi ana kontrol elemanı olarak kullanarak basit bir otomatik engel algılama ve kaçınma aracı oluşturduk. Bazı ekstra devrelerle, bu tasarım, belirli bir noktaya giden bir yol bulma, bir labirent çözme algoritması, bir çizgi izleyen algoritma, vb. gibi diğer görevleri gerçekleştirmek için geliştirilebilir.

9. Adım: Donanım Resimleri