หุ่นยนต์ติดตามกำแพง DIY: 9 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

ในคำแนะนำนี้ เราจะอธิบายวิธีออกแบบระบบตรวจจับและหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางโดยใช้ GreenPAK™ พร้อมกับเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกภายนอกและอินฟราเรด (IR) สองสามตัว การออกแบบนี้จะแนะนำบางหัวข้อที่จำเป็นสำหรับระบบหุ่นยนต์ที่เป็นอิสระและชาญฉลาด

ด้านล่างนี้ เราได้อธิบายขั้นตอนที่จำเป็นเพื่อทำความเข้าใจว่าโซลูชันได้รับการตั้งโปรแกรมเพื่อสร้างหุ่นยนต์เดินตามผนังอย่างไร อย่างไรก็ตาม หากคุณต้องการเพียงผลลัพธ์ของการเขียนโปรแกรม ให้ดาวน์โหลดซอฟต์แวร์ GreenPAK เพื่อดู GreenPAK Design File ที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว เสียบ GreenPAK Development Kit เข้ากับคอมพิวเตอร์ของคุณและกดโปรแกรมเพื่อสร้างหุ่นยนต์ติดตามกำแพง

ขั้นตอนที่ 1: คำชี้แจงปัญหา

เมื่อเร็ว ๆ นี้มีความสนใจในปัญญาประดิษฐ์และความสนใจส่วนใหญ่มุ่งไปที่เครื่องจักรที่เป็นอิสระและชาญฉลาด หุ่นยนต์ดังกล่าวสามารถลดความรับผิดชอบของมนุษย์และขยายระบบอัตโนมัติไปยังสาขาต่างๆ เช่น ราชการและการป้องกันประเทศ นักวิจัย AI กำลังพยายามให้บริการต่างๆ โดยอัตโนมัติ เช่น การดับเพลิง การรักษาพยาบาล การจัดการภัยพิบัติ และหน้าที่การช่วยชีวิตผ่านยานยนต์หุ่นยนต์อัตโนมัติ ความท้าทายประการหนึ่งที่ยานพาหนะเหล่านี้ต้องเอาชนะคือการตรวจจับและหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางต่างๆ เช่น เศษหินหรืออิฐ ไฟ หลุมพราง เป็นต้น

ขั้นตอนที่ 2: รายละเอียดการใช้งาน

ในคำแนะนำนี้ เราจะใช้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก เซ็นเซอร์ตรวจจับสิ่งกีดขวาง IR หนึ่งคู่ วงจรขับมอเตอร์ (L298N) มอเตอร์ DC สี่ตัว ล้อ โครงกระดูกรถยนต์ขับเคลื่อน 4 ล้อ และชิป GreenPAK SLG46620V

พินเอาต์พุตดิจิทัลของตัวควบคุม GreenPAK ใช้เพื่อทริกเกอร์เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก (หรือที่เรียกว่าโซนาร์) และพินอินพุตดิจิทัลใช้เพื่อรวบรวมเสียงสะท้อนที่เป็นผลลัพธ์จากสิ่งกีดขวางที่อยู่ข้างหน้าสำหรับการวิเคราะห์ นอกจากนี้ยังสังเกตเอาต์พุตของเซ็นเซอร์ตรวจจับสิ่งกีดขวาง IR หลังจากใช้ชุดเงื่อนไขแล้ว หากมีสิ่งกีดขวางอยู่ใกล้เกินไป มอเตอร์ (ที่เชื่อมต่อกับล้อทั้งสี่) จะถูกปรับเพื่อหลีกเลี่ยงการชน

ขั้นตอนที่ 3: คำอธิบาย

หุ่นยนต์หลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางอัตโนมัติจะต้องสามารถตรวจจับสิ่งกีดขวางและหลีกเลี่ยงการชนได้ การออกแบบหุ่นยนต์ดังกล่าวจำเป็นต้องมีการรวมเซ็นเซอร์ต่างๆ เช่น เซ็นเซอร์กันกระแทก เซ็นเซอร์อินฟราเรด เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก ฯลฯ โดยการติดตั้งเซ็นเซอร์เหล่านี้บนหุ่นยนต์ หุ่นยนต์จะได้รับข้อมูลเกี่ยวกับพื้นที่โดยรอบ เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกเหมาะสำหรับการตรวจจับสิ่งกีดขวางสำหรับหุ่นยนต์อิสระที่เคลื่อนไหวช้า เนื่องจากมีต้นทุนต่ำและช่วงที่ค่อนข้างสูง

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจะตรวจจับวัตถุโดยปล่อยคลื่นอัลตราโซนิกออกมาสั้นๆ แล้วฟังเสียงสะท้อน ภายใต้การควบคุมของไมโครคอนโทรลเลอร์โฮสต์ เซ็นเซอร์จะปล่อยพัลส์สั้น 40 kHz ชีพจรนี้จะเดินทางผ่านอากาศจนกระทั่งกระทบกับวัตถุแล้วสะท้อนกลับไปยังเซ็นเซอร์ เซ็นเซอร์จะให้สัญญาณเอาท์พุตไปยังโฮสต์ซึ่งจะสิ้นสุดเมื่อตรวจพบเสียงสะท้อน ด้วยวิธีนี้ ความกว้างของพัลส์ที่ส่งกลับจะถูกใช้ในการคำนวณระยะทางไปยังวัตถุ

ยานยนต์หุ่นยนต์หลบสิ่งกีดขวางนี้ใช้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกเพื่อตรวจจับวัตถุที่ขวางทาง มอเตอร์เชื่อมต่อผ่าน IC ไดรเวอร์มอเตอร์กับ GreenPAK เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกติดอยู่ที่ด้านหน้าของหุ่นยนต์ และเซ็นเซอร์ตรวจจับสิ่งกีดขวาง IR สองตัวติดอยู่ที่ด้านซ้ายและด้านขวาของหุ่นยนต์เพื่อตรวจจับสิ่งกีดขวางด้านข้าง

ขณะที่หุ่นยนต์เคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่ต้องการ เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจะส่งคลื่นอัลตราโซนิกอย่างต่อเนื่อง เมื่อใดก็ตามที่มีสิ่งกีดขวางอยู่ข้างหน้าหุ่นยนต์ คลื่นอัลตราโซนิกจะสะท้อนกลับจากสิ่งกีดขวาง และข้อมูลนั้นจะถูกส่งไปยัง GreenPAK พร้อมกันนี้ เซ็นเซอร์ IR จะส่งและรับคลื่นอินฟราเรด หลังจากตีความอินพุตจากเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกและ IR แล้ว GreenPAK จะควบคุมมอเตอร์สำหรับล้อทั้งสี่แต่ละล้อ

ขั้นตอนที่ 4: คำอธิบายอัลกอริทึม

เมื่อสตาร์ทเครื่อง มอเตอร์ทั้งสี่ตัวจะเปิดขึ้นพร้อมกัน ทำให้หุ่นยนต์เคลื่อนที่ไปข้างหน้า ถัดไป เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจะส่งพัลส์จากด้านหน้าของหุ่นยนต์เป็นระยะ หากมีสิ่งกีดขวาง เสียงพัลส์จะสะท้อนและเซ็นเซอร์ตรวจพบ การสะท้อนของพัลส์ขึ้นอยู่กับสถานะทางกายภาพของสิ่งกีดขวาง: หากมีรูปร่างผิดปกติพัลส์ที่สะท้อนจะลดลง หากมีความสม่ำเสมอพัลส์ที่ส่งส่วนใหญ่จะสะท้อนออกมา การสะท้อนกลับขึ้นอยู่กับทิศทางของสิ่งกีดขวาง หากเอียงเล็กน้อยหรือวางขนานกับเซ็นเซอร์ คลื่นเสียงส่วนใหญ่จะไม่สะท้อน

เมื่อตรวจพบสิ่งกีดขวางที่ด้านหน้าหุ่นยนต์ จะมีการสังเกตเอาต์พุตด้านข้างจากเซ็นเซอร์ IR หากตรวจพบสิ่งกีดขวางทางด้านขวา ยางด้านซ้ายของหุ่นยนต์จะปิดใช้งาน ทำให้ยางหันไปทางซ้าย และในทางกลับกัน หากตรวจไม่พบสิ่งกีดขวาง อัลกอริทึมก็จะทำซ้ำ แผนภาพการไหลแสดงในรูปที่ 2

ขั้นตอนที่ 5: อัลตราโซนิกเซนเซอร์ HC-SR04

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกเป็นอุปกรณ์ที่สามารถวัดระยะทางไปยังวัตถุโดยใช้คลื่นเสียง วัดระยะทางโดยส่งคลื่นเสียงที่ความถี่เฉพาะและฟังคลื่นเสียงนั้นเพื่อสะท้อนกลับ ด้วยการบันทึกเวลาที่ผ่านไประหว่างคลื่นเสียงที่ถูกสร้างขึ้นกับคลื่นเสียงที่สะท้อนกลับ ทำให้สามารถคำนวณระยะห่างระหว่างเซ็นเซอร์โซนาร์กับวัตถุได้ เสียงเดินทางผ่านอากาศด้วยความเร็วประมาณ 344 ม./วินาที (1129 ฟุต/วินาที) ดังนั้นคุณจึงสามารถคำนวณระยะทางไปยังวัตถุโดยใช้สูตร 1

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก HC-SR04 ประกอบด้วยสี่พิน: Vdd, GND, Trigger และ Echo เมื่อใดก็ตามที่มีการใช้พัลส์จากคอนโทรลเลอร์กับพินของทริกเกอร์ เซ็นเซอร์จะปล่อยคลื่นอัลตราซาวนด์จาก "ลำโพง" คลื่นสะท้อนจะถูกตรวจพบโดย "เครื่องรับ" และส่งกลับไปยังตัวควบคุมผ่านหมุดสะท้อน ยิ่งระยะห่างระหว่างเซ็นเซอร์และสิ่งกีดขวางนานเท่าใด ชีพจรที่ Echo pin ก็จะยิ่งยาวขึ้นเท่านั้น พัลส์จะยังคงเปิดอยู่ในช่วงเวลาที่ใช้พัลส์โซนาร์เพื่อเดินทางจากเซ็นเซอร์และย้อนกลับกลับมา หารด้วยสอง เมื่อโซนาร์ทำงาน ตัวจับเวลาภายในจะเริ่มและดำเนินต่อไปจนกว่าจะตรวจพบคลื่นที่สะท้อน เวลานี้จะถูกหารด้วยสองเพราะเวลาจริงที่คลื่นเสียงไปถึงสิ่งกีดขวางนั้นเป็นเวลาครึ่งหนึ่งของเวลาที่เปิดอยู่

การทำงานของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกแสดงไว้ในรูปที่ 4

ในการสร้างพัลส์อัลตราโซนิก คุณต้องตั้งค่าทริกเกอร์ให้อยู่ในสถานะสูงเป็นเวลา 10μs ที่จะส่งเสียงระเบิด 8 รอบซึ่งจะสะท้อนสิ่งกีดขวางใด ๆ ที่ด้านหน้าอุปกรณ์และเซ็นเซอร์รับ หมุด Echo จะแสดงเวลา (เป็นไมโครวินาที) ที่คลื่นเสียงเดินทาง

ขั้นตอนที่ 6: โมดูลเซ็นเซอร์ตรวจจับสิ่งกีดขวางอินฟราเรด

เช่นเดียวกับเซ็นเซอร์อัลตราซาวนด์ แนวคิดพื้นฐานของการตรวจจับสิ่งกีดขวางอินฟราเรด (IR) คือการส่งสัญญาณ IR (ในรูปของการแผ่รังสี) และสังเกตการสะท้อนกลับ โมดูลเซ็นเซอร์ IR แสดงในรูปที่ 6

คุณสมบัติ

• มีไฟแสดงสิ่งกีดขวางบนแผงวงจร
• สัญญาณเอาท์พุตดิจิตอล
• ระยะตรวจจับ: 2 ~ 30 cm
• มุมการตรวจจับ: 35 °
• ชิปเปรียบเทียบ: LM393
• ช่วงระยะการตรวจจับที่ปรับได้ผ่านโพเทนชิออมิเตอร์:

○ ตามเข็มนาฬิกา: เพิ่มระยะการตรวจจับ

○ ทวนเข็มนาฬิกา: ลดระยะการตรวจจับ

ข้อมูลจำเพาะ

• แรงดันใช้งาน: 3 – 5 V DC
• ประเภทเอาต์พุต: เอาต์พุตสวิตชิ่งดิจิตอล (0 และ 1)
• รูสกรู 3 มม. ติดตั้งง่าย
• ขนาดกระดาน: 3.2 x 1.4 ซม.

คำอธิบายตัวบ่งชี้ควบคุมที่อธิบายไว้ในตารางที่ 1

ขั้นตอนที่ 7: วงจรขับมอเตอร์ L298N

วงจรขับมอเตอร์หรือ H-Bridge ใช้เพื่อควบคุมความเร็วและทิศทางของมอเตอร์กระแสตรง มีทางเข้าสองทางที่ต้องเชื่อมต่อกับแหล่งพลังงาน DC แยกต่างหาก (มอเตอร์ดึงกระแสไฟหนักและไม่สามารถจ่ายโดยตรงจากคอนโทรลเลอร์) เอาต์พุตสองชุดสำหรับมอเตอร์แต่ละตัว (บวกและลบ) พินเปิดใช้งานสองตัวสำหรับแต่ละ ชุดเอาต์พุต และพินสองชุดสำหรับควบคุมทิศทางของเต้ารับมอเตอร์แต่ละอัน (พินสองตัวสำหรับมอเตอร์แต่ละตัว) หากพินซ้ายสุดสองพินได้รับระดับลอจิก HIGH สำหรับพินหนึ่งพินและ LOW สำหรับพินอื่นๆ มอเตอร์ที่เชื่อมต่อกับเต้าเสียบด้านซ้ายจะหมุนไปในทิศทางเดียว และหากลำดับของลอจิกถูกย้อนกลับ (LOW และ HIGH) มอเตอร์จะหมุน ในทิศทางตรงกันข้าม เช่นเดียวกับพินขวาสุดและมอเตอร์ทางออกขวา หากพินทั้งสองคู่มีระดับลอจิกสูงหรือต่ำ มอเตอร์จะหยุดทำงาน

ตัวขับมอเตอร์แบบสองทิศทางแบบคู่นี้ใช้ L298 Dual H-Bridge Motor Driver IC ที่ได้รับความนิยมอย่างมาก โมดูลนี้ช่วยให้คุณสามารถควบคุมมอเตอร์สองตัวในทั้งสองทิศทางได้อย่างง่ายดายและเป็นอิสระ ใช้สัญญาณลอจิกมาตรฐานในการควบคุม และสามารถขับเคลื่อนสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบสองเฟส มอเตอร์แบบสี่เฟส และมอเตอร์กระแสตรงแบบสองเฟส มีตัวเก็บประจุตัวกรองและไดโอดอิสระที่ปกป้องอุปกรณ์ในวงจรจากการเสียหายจากกระแสย้อนกลับของโหลดอุปนัย ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือ L298 มีแรงดันไฟขับ 5-35 V และระดับลอจิก 5 V

หน้าที่ของตัวขับมอเตอร์ได้อธิบายไว้ในตารางที่ 2

บล็อกไดอะแกรมแสดงการเชื่อมต่อระหว่างเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก ไดรเวอร์มอเตอร์ และชิป GPAK แสดงในรูปที่ 8

ขั้นตอนที่ 8: การออกแบบ GreenPAK

ใน Matrix 0 อินพุตทริกเกอร์สำหรับเซ็นเซอร์ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 และออสซิลเลเตอร์ อินพุตจาก Echo pin ของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกอ่านโดยใช้ Pin3 อินพุตสามรายการถูกนำไปใช้ที่ LUT0 แบบ 3 บิต: หนึ่งรายการจาก Echo อีกรายการจากทริกเกอร์ และรายการที่สามซึ่งเป็นอินพุตของทริกเกอร์จะล่าช้าไป 30 เรา เอาต์พุตจากตารางค้นหานี้ใช้ในเมทริกซ์ 1 เอาต์พุตจากเซ็นเซอร์ IR จะถูกถ่ายในเมทริกซ์ 0 ด้วย

ในเมทริกซ์ 1 พอร์ต P1 และ P6 เป็นแบบ OR ร่วมกันและเชื่อมต่อกับ Pin17 ซึ่งติดอยู่กับ Pin1 ของไดรเวอร์มอเตอร์ Pin18 อยู่ที่ลอจิก LOW เสมอและเชื่อมต่อกับ Pin2 ของไดรเวอร์มอเตอร์ ในทำนองเดียวกัน พอร์ต P2 และ P7 จะเชื่อมต่อกันและเชื่อมต่อกับ Pin20 ของ GreenPAK ซึ่งต่ออยู่กับ P3 ของวงจรขับมอเตอร์ Pin19 เชื่อมต่อกับ Pin4 ของไดรเวอร์มอเตอร์และอยู่ที่ลอจิก LOW เสมอ

เมื่อ Echo pin เป็น HIGH หมายความว่ามีวัตถุอยู่ด้านหน้าหุ่นยนต์ จากนั้นหุ่นยนต์จะตรวจสอบสิ่งกีดขวางด้านซ้ายและขวาจากเซ็นเซอร์ IR หากมีสิ่งกีดขวางที่ด้านขวาของหุ่นยนต์ หุ่นยนต์ก็จะเลี้ยวซ้าย และหากมีสิ่งกีดขวางทางด้านซ้าย หุ่นยนต์ก็จะเลี้ยวขวา ด้วยวิธีนี้ หุ่นยนต์จะหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางและเคลื่อนที่โดยไม่ชนกัน

บทสรุป

ในคำแนะนำนี้ เราได้สร้างการตรวจจับสิ่งกีดขวางอัตโนมัติและการหลีกเลี่ยงยานพาหนะโดยใช้ GreenPAK SLG46620V เป็นองค์ประกอบควบคุมหลัก ด้วยวงจรพิเศษบางส่วน การออกแบบนี้สามารถปรับปรุงเพื่อทำงานอื่น ๆ เช่น การค้นหาเส้นทางไปยังจุดเฉพาะ อัลกอริธึมการแก้เขาวงกต อัลกอริธึมตามเส้น เป็นต้น

ขั้นตอนที่ 9: รูปภาพฮาร์ดแวร์